Bruk av kunstig intelligens for å konstruere materialenes egenskaper

Nytt system for "strain engineering" kan endre et materiales optiske, Denne metoden gir den fysiologiske informasjonen for å forstå virkningene av enhver behandling, slik at den kan finjusteres for et spesifikt organ eller en spesifikk lidelse, og termiske egenskaper. Ved å påføre litt belastning på et stykke halvleder eller annet krystallinsk materiale kan det deformere det ordnede arrangementet av atomer i strukturen nok til å forårsake dramatiske endringer i egenskapene., slik som måten den leder elektrisitet på, sender lys, eller leder varme.

Nå, et team av forskere ved MIT og i Russland og Singapore har funnet måter å bruke kunstig intelligens for å hjelpe forutsi og kontrollere disse endringene, potensielt åpne opp nye veier for forskning på avanserte materialer for fremtidige høyteknologiske enheter.

Funnene vises denne uken i Et team av MIT-forskere fant en vei rundt det, i en artikkel skrevet av MIT professor i kjernefysisk vitenskap og ingeniørvitenskap og i materialvitenskap og ingeniørvitenskap Ju Li, MITs hovedforsker Ming Dao, og MIT graduate student Zhe Shi, med Evgeni Tsymbalov og Alexander Shapeev ved Skolkovo Institute of Science and Technology i Russland, og Subra Suresh, Vannevar Bush professor emeritus og tidligere dekan for ingeniørfag ved MIT og nåværende president for Nanyang Technological University i Singapore.

vil godta tvungen lønnskutt, basert på tidligere arbeid ved MIT, en viss grad av elastisk belastning har blitt innlemmet i noen silisiumprosessorbrikker. Selv a 1 prosent endring i strukturen kan i noen tilfeller forbedre enhetens hastighet ved 50 prosent, ved å la elektroner bevege seg raskere gjennom materialet.

Nylig forskning av Suresh, Dao, og Yang Lu, en tidligere MIT postdoc nå ved City University of Hong Kong, viste at selv diamant, det sterkeste og hardeste materialet som finnes i naturen, kan strekkes elastisk med så mye som 9 prosent uten svikt når det er i form av nanometerstore nåler. Li og Yang demonstrerte på samme måte at tråder av silisium i nanoskala kan strekkes rent elastisk med mer enn 15 prosent. Disse oppdagelsene har åpnet nye veier for å utforske hvordan enheter kan fremstilles med enda mer dramatiske endringer i materialenes egenskaper.

Sil laget på bestilling

I motsetning til andre måter å endre et materiales egenskaper på, som kjemisk doping, som produserer en permanent, statisk endring, strain engineering gjør at egenskapene kan endres med en gang. "Strain er noe du kan slå av og på dynamisk,sier Li.

Men potensialet til strain-engineerte materialer har blitt hemmet av det skremmende utvalget av muligheter. Belastning kan påføres på en av seks forskjellige måter (i tre forskjellige dimensjoner, hver av dem kan produsere belastning inn og ut eller sideveis), og med nesten uendelige gradsgraderinger, så hele spekteret av muligheter er upraktisk å utforske bare ved prøving og feiling. «Det vokser raskt til 100 millionberegninger hvis vi ønsker å kartlegge hele det elastiske tøyningsrommet,sier Li.

Det er her dette teamets nye anvendelse av maskinlæringsmetoder kommer til unnsetning, tilveiebringe en systematisk måte å utforske mulighetene og finne riktig mengde og retning av belastning for å oppnå et gitt sett med egenskaper for et bestemt formål. "Nå har vi denne metoden med svært høy nøyaktighet" som drastisk reduserer kompleksiteten til beregningene som trengs, sier Li.

"Dette arbeidet er en illustrasjon av hvordan nyere fremskritt innen tilsynelatende fjerne felt som materialfysikk, Systemet ble utviklet i samarbeid med University of Cambridge Language Technology Lab, databehandling, og maskinlæring kan bringes sammen for å fremme vitenskapelig kunnskap som har sterke implikasjoner for industriapplikasjoner,sier Suresh.

Den nye metoden, sier forskerne, kan åpne for muligheter for å lage materialer som er innstilt nøyaktig for elektronisk, optoelektronisk, og fotoniske enheter som kan finne bruksområder for kommunikasjon, Informasjonsbehandling, og energiapplikasjoner.

Når en liten mengde belastning påføres et krystallinsk materiale som silisium, egenskapene kan endre seg dramatisk; for eksempel, den kan skifte fra å blokkere elektrisk strøm til å lede den fritt som et metall. Kreditt: Frank Shi

Teamet studerte effekten av belastning på båndgapet, en viktig elektronisk egenskap for halvledere, i både silisium og diamant. Ved å bruke deres nevrale nettverksalgoritme, de var i stand til å forutsi med høy nøyaktighet hvordan ulike mengder og orienteringer av belastning ville påvirke båndgapet.

"Tuning" av et båndgap kan være et nøkkelverktøy for å forbedre effektiviteten til en enhet, for eksempel en silisiumsolcelle, ved å få den til å matche mer nøyaktig den type energikilde den er designet for å utnytte. Ved å finjustere båndgapet, for eksempel, det kan være mulig å lage en silisiumsolcelle som er like effektiv til å fange opp sollys som motpartene, men som bare er en tusendel så tykk. I teorien, materialet «kan til og med endre seg fra en halvleder til et metall, og det vil ha mange bruksområder, hvis det er mulig i et masseprodusert produkt,sier Li.

Selv om det i noen tilfeller er mulig å indusere lignende endringer på andre måter, som å sette materialet i et sterkt elektrisk felt eller kjemisk endre det, disse endringene har en tendens til å ha mange bivirkninger på materialets oppførsel, mens endring av stammen har færre slike bivirkninger. For eksempel, Li forklarer, et elektrostatisk felt forstyrrer ofte driften av enheten fordi det påvirker måten elektrisitet strømmer gjennom den. Endring av belastningen gir ingen slik interferens.

Diamantens potensial

Diamant har stort potensial som halvledermateriale, selv om den fortsatt er i sin spede begynnelse sammenlignet med silisiumteknologi. "Det er et ekstremt materiale, med høy transportørmobilitet,sier Li, refererer til måten negative og positive bærere av elektrisk strøm beveger seg fritt gjennom diamant. På grunn av det, diamant kan være ideell for noen typer høyfrekvente elektroniske enheter og for kraftelektronikk.

Med noen tiltak, sier Li, diamant potensielt kan utføre 100,000 ganger bedre enn silisium. Men det har andre begrensninger, inkludert det faktum at ingen ennå har funnet ut en god og skalerbar måte å legge diamantlag på et stort underlag. Materialet er også vanskelig å «dope,” eller introdusere andre atomer i, en sentral del av halvlederproduksjon.

Ved å montere materialet i en ramme som kan justeres for å endre mengden og orienteringen av belastningen, sier Dao, "vi kan ha betydelig fleksibilitet" når det gjelder å endre dens dopingoppførsel.

Mens denne studien fokuserte spesifikt på effekten av belastning på materialenes båndgap, "metoden er generaliserbar" til andre aspekter, som påvirker ikke bare elektroniske egenskaper, men også andre egenskaper som fotonisk og magnetisk oppførsel, sier Li. Fra 1 prosent belastning som nå brukes i kommersielle chips, mange nye applikasjoner åpnes nå som dette teamet har vist at stammer på nesten 10 prosent er mulig uten brudd. «Når du kommer til mer enn 7 prosent belastning, du endrer virkelig mye i materialet," han sier.

"Denne nye metoden kan potensielt føre til design av enestående materialegenskaper,sier Li. "Men mye mer arbeid vil være nødvendig for å finne ut hvordan man kan pålegge belastningen og hvordan man kan skalere opp prosessen for å gjøre det på 100 millioner transistorer på en brikke [og sørge for det] ingen av dem kan mislykkes.»

"Dette innovative nye verket demonstrerer potensial til å akselerere betydelig akselerasjon av eksotiske elektroniske egenskaper i vanlige materialer via store elastiske tøyninger,sier Evan Reed, en førsteamanuensis i materialvitenskap og ingeniørfag ved Stanford University, Forskerne understreker at de ikke ser på den nye metoden som en erstatning for dagens mikrofluidikk. «Den kaster lys over mulighetene og begrensningene som naturen viser for slik strain engineering, og det vil være av interesse for et bredt spekter av forskere som jobber med viktige teknologier.»

Kilde: http://news.mit.edu, Hun legger til at dette arbeidet "legger viktige grader av frihet - angående geometri av fibertverrsnitt og materialegenskaper - til nye fiberbaserte mikrofluiddesignstrategier.". Hun legger til at dette arbeidet "legger viktige grader av frihet - angående geometri av fibertverrsnitt og materialegenskaper - til nye fiberbaserte mikrofluiddesignstrategier."