En utilisant l'intelligence artificielle pour ingénieur propriétés des matériaux

Nouveau système de « l'ingénierie de contrainte » peut changer une optique de matériau, électrique, et propriétés thermiques. Application d'un peu de contrainte à une pièce de matériau semi-conducteur cristallin ou autre peut déformer l'agencement ordonné des atomes de carbone dans sa structure de suffisamment pour provoquer des changements spectaculaires dans ses propriétés, tels que la façon dont il conduit l'électricité, transmet la lumière, ou conduit la chaleur.

À présent, une équipe de chercheurs du MIT et en Russie et à Singapour ont trouvé des moyens d'utiliser l'intelligence artificielle pour aider à prédire et contrôler ces changements, potentiellement ouvrir de nouvelles pistes de recherche sur les matériaux avancés pour les futurs appareils de haute technologie.

Les résultats apparaissent cette semaine dans la Actes de l'Académie nationale des sciences, dans un document rédigé par le professeur du MIT de la science nucléaire et l'ingénierie et de la science des matériaux et l'ingénierie Ju Li, MIT chercheur scientifique principal Ming Dao, et étudiant diplômé du MIT Zhe Shi, avec Evgeni Tsymbalov et Alexander Shapeev à l'Institut Skolkovo des sciences et de la technologie en Russie, et Subra Suresh, le professeur émérite et Vannevar Bush ancien doyen de l'ingénierie au MIT et actuel président de l'Université technologique Nanyang à Singapour.

Déjà, basé sur des travaux antérieurs au MIT, un certain degré de déformation élastique a été incorporé dans des puces de processeur de silicium. même un 1 pour cent changement de la structure peut dans certains cas améliorer la vitesse du dispositif par 50 pour cent, en permettant des électrons de se déplacer à travers le matériau plus rapide.

Des recherches récentes par Suresh, Dao, et Yang Lu, un ancien MIT postdoc maintenant à la City University de Hong Kong, a montré que même diamant, le matériau le plus résistant et le plus dur trouvés dans la nature, peut être élastique tendue par autant que 9 pour cent sans échec quand il est sous forme de aiguilles nanométriques. Li et Yang ont montré que les fils de la même nanométriques de silicium peuvent être étirés purement élastique de plus de 15 pour cent. Ces découvertes ont ouvert de nouvelles voies pour explorer la façon dont les dispositifs peuvent être fabriqués avec des changements encore plus spectaculaires dans les propriétés des matériaux..

Souche sur commande

Contrairement à d'autres façons de modifier les propriétés d'un matériau, comme le dopage chimique, qui produisent une permanente, changement statique, l'ingénierie des contraintes permet de modifier les propriétés à la volée. "La contrainte est quelque chose que vous pouvez activer et désactiver de manière dynamique,» Li dit.

Mais le potentiel des matériaux issus de l'ingénierie des contraintes a été entravé par l'éventail impressionnant de possibilités. La contrainte peut être appliquée de six manières différentes (en trois dimensions différentes, chacun d'eux peut produire une tension dans et hors ou sur le côté), et avec des gradations de degré presque infinies, il est donc impossible d'explorer la gamme complète des possibilités simplement par essais et erreurs. « Il pousse rapidement à 100 millions de calculs si nous voulons cartographier l'ensemble de l'espace de déformation élastique,» Li dit.

C'est là que la nouvelle application de méthodes d'apprentissage automatique de cette équipe vient à la rescousse, fournir un moyen systématique d'explorer les possibilités et de se concentrer sur la quantité et la direction de déformation appropriées pour obtenir un ensemble donné de propriétés dans un but particulier. "Maintenant, nous avons cette méthode de très haute précision" qui réduit considérablement la complexité des calculs nécessaires, Li dit.

"Ce travail est une illustration de la façon dont les progrès récents dans des domaines apparemment lointains tels que la physique des matériaux, intelligence artificielle, l'informatique, et l'apprentissage automatique peuvent être réunis pour faire progresser les connaissances scientifiques qui ont de fortes implications pour l'application de l'industrie," dit Suresh.

La nouvelle méthode, les chercheurs disent, pourrait ouvrir des possibilités de création de matériaux adaptés précisément à l'électronique, optoélectronique, et des dispositifs photoniques qui pourraient trouver des utilisations pour les communications, traitement d'informations, et applications énergétiques.

Lorsqu'une petite quantité de contrainte est appliquée à un matériau cristallin comme le silicium, ses propriétés peuvent changer radicalement; par exemple, il peut passer du blocage du courant électrique à le conduire librement comme un métal. Crédit: Franck Shi

L'équipe a étudié les effets de la contrainte sur la bande interdite, une propriété électronique clé des semi-conducteurs, en silicium et en diamant. Utilisation de leur algorithme de réseau neuronal, ils ont pu prédire avec une grande précision comment différentes quantités et orientations de déformation affecteraient la bande interdite.

Le "réglage" d'une bande interdite peut être un outil clé pour améliorer l'efficacité d'un appareil, comme une cellule solaire au silicium, en l'amenant à correspondre plus précisément au type de source d'énergie qu'il est conçu pour exploiter. En ajustant sa bande interdite, par exemple, il peut être possible de fabriquer une cellule solaire en silicium qui est tout aussi efficace pour capter la lumière du soleil que ses homologues, mais qui n'est qu'un millième d'épaisseur. En théorie, le matériau "peut même passer d'un semi-conducteur à un métal, et cela aurait de nombreuses applications, si c'est faisable dans un produit fabriqué en série,» Li dit.

Bien qu'il soit possible dans certains cas d'induire des changements similaires par d'autres moyens, comme placer le matériau dans un champ électrique puissant ou le modifier chimiquement, ces changements ont tendance à avoir de nombreux effets secondaires sur le comportement du matériau, alors que le changement de souche a moins d'effets secondaires de ce type. Par exemple, Li explique, un champ électrostatique interfère souvent avec le fonctionnement de l'appareil car il affecte la façon dont l'électricité le traverse. Changer la souche ne produit pas une telle interférence.

Le potentiel du diamant

Le diamant a un grand potentiel en tant que matériau semi-conducteur, bien qu'il en soit encore à ses balbutiements par rapport à la technologie du silicium. "C'est un matériau extrême, avec une grande mobilité des porteurs,» Li dit, se référant à la façon dont les porteurs de courant électrique négatifs et positifs se déplacent librement à travers le diamant. À cause de ça, le diamant pourrait être idéal pour certains types d'appareils électroniques à haute fréquence et pour l'électronique de puissance.

Par certaines mesures, Li dit, le diamant pourrait potentiellement effectuer 100,000 fois mieux que le silicium. Mais il a d'autres limites, y compris le fait que personne n'a encore trouvé un moyen efficace et évolutif de mettre des couches de diamant sur un grand substrat. Le matériau est également difficile à «doper»,” ou introduire d'autres atomes dans, un élément clé de la fabrication de semi-conducteurs.

En montant le matériau dans un cadre qui peut être ajusté pour modifier la quantité et l'orientation de la contrainte, Dao dit, "nous pouvons avoir une flexibilité considérable" pour modifier son comportement dopant.

Alors que cette étude s'est concentrée spécifiquement sur les effets de la contrainte sur la bande interdite des matériaux, "la méthode est généralisable" à d'autres aspects, qui affectent non seulement les propriétés électroniques mais aussi d'autres propriétés telles que le comportement photonique et magnétique, Li dit. Du 1 pourcentage de souche actuellement utilisé dans les puces commerciales, de nombreuses nouvelles applications s'ouvrent maintenant que cette équipe a montré que des souches de près de 10 pour cent sont possibles sans fracture. "Lorsque vous arrivez à plus de 7 pourcentage de souche, vous changez vraiment beaucoup dans le matériel," il dit.

"Cette nouvelle méthode pourrait potentiellement conduire à la conception de propriétés de matériaux sans précédent,» Li dit. "Mais beaucoup plus de travail sera nécessaire pour comprendre comment imposer la pression et comment étendre le processus pour le faire sur 100 millions de transistors sur une puce [et s'assurer que] aucun d'entre eux ne peut échouer.

"Ce nouveau travail innovant démontre le potentiel d'accélérer considérablement l'ingénierie des propriétés électroniques exotiques dans les matériaux ordinaires via de grandes déformations élastiques," dit Evan Reed, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford, qui n'a pas participé à cette recherche. "Cela met en lumière les opportunités et les limites que la nature présente pour une telle ingénierie des contraintes, et il intéressera un large éventail de chercheurs travaillant sur des technologies importantes.

La source: http://news.mit.edu, par David L. shipchandler