Использование искусственного интеллекта для разработки свойств материалов

Новая система «инженерной деформации» может изменить оптические свойства материала., электрический, и тепловые свойства. Применение небольшого напряжения к куску полупроводника или другого кристаллического материала может настолько деформировать упорядоченное расположение атомов в его структуре, что вызовет резкие изменения его свойств., например, как он проводит электричество, пропускает свет, или проводит тепло.

Сейчас, группа исследователей из Массачусетского технологического института, а также из России и Сингапура нашла способы использования искусственного интеллекта для прогнозирования и контроля этих изменений., потенциально открывая новые направления исследований передовых материалов для будущих высокотехнологичных устройств..

Результаты появятся на этой неделе в Труды Национальной академии наук, в статье, написанной профессором ядерной науки и техники Массачусетского технологического института, а также материаловедения и инженерии Джу Ли, Главный научный сотрудник Массачусетского технологического института Мин Дао, и аспирант Массачусетского технологического института Чжэ Ши, с Евгением Цымбаловым и Александром Шапеевым в Сколковском институте науки и технологий в России, и Субра Суреш, почетный профессор Ванневара Буша, бывший декан инженерного факультета Массачусетского технологического института и нынешний президент Наньянского технологического университета в Сингапуре..

Уже, на основе более ранней работы в Массачусетском технологическом институте, некоторая степень упругой деформации была включена в некоторые чипы кремниевых процессоров.. Даже 1 процентное изменение структуры может в некоторых случаях повысить скорость работы устройства за счет 50 процентов, позволяя электронам двигаться через материал быстрее.

Недавнее исследование Суреша, Дао, и Ян Лу, бывший постдоктор Массачусетского технологического института, сейчас работает в Городском университете Гонконга., показал, что даже алмаз, самый прочный и твердый материал, встречающийся в природе, может быть упруго растянут на 9 проценты без сбоев, когда он находится в форме нанометрового размера иглы. Ли и Янга аналогично показали, что наноразмерные провода кремния может быть растянут чисто упруго более чем 15 процентов. Эти открытия открыли новые возможности для изучения того, как можно изготавливать устройства с еще более радикальными изменениями свойств материалов..

Штамм на заказ

В отличии от других способов изменения свойств материала, в, таких как химическая легирования, которые производят постоянный, статическое изменение, инженерия деформации позволяет изменять свойства на лету. «Напряжение — это то, что вы можете включать и выключать динамически.,»Ли говорит.

Но потенциал деформационных материалов ограничен пугающим диапазоном возможностей.. Штамм можно применять любым из шести различных способов. (в трех разных измерениях, каждый из которых может производить напряжение внутрь и наружу или вбок), и с почти бесконечными градациями степени, так что весь спектр возможностей нецелесообразно исследовать просто методом проб и ошибок. «Он быстро вырастает до 100 миллион вычислений, если мы хотим отобразить все пространство упругих деформаций,»Ли говорит.

Вот где на помощь приходит новое применение этой командой методов машинного обучения., обеспечение систематического способа изучения возможностей и определения подходящей степени и направления деформации для достижения заданного набора свойств для конкретной цели.. «Теперь у нас есть этот очень высокоточный метод», который резко снижает сложность необходимых вычислений., Ли говорит.

«Эта работа является иллюстрацией того, как последние достижения в, казалось бы, далеких областях, таких как физика материалов,, искусственный интеллект, вычисление, и машинное обучение могут быть объединены для продвижения научных знаний, которые имеют серьезные последствия для применения в промышленности.,— говорит Суреш..

Новый метод, Исследователи говорят,, может открыть возможности для создания материалов, адаптированных именно для электронных, оптоэлектронный, и фотонные устройства, которые могли бы найти применение для связи, обработка информации, и энергетические приложения.

Когда небольшое напряжение применяется к кристаллическому материалу, такому как кремний, его свойства могут резко измениться; например, он может переключаться с блокировки электрического тока на свободное его проведение, как металл.. кредит: Фрэнк Ши

Команда изучила влияние деформации на ширину запрещенной зоны., ключевое электронное свойство полупроводников, как в кремнии, так и в алмазе. Используя свой алгоритм нейронной сети, они смогли с высокой точностью предсказать, как различные величины и направления деформации повлияют на ширину запрещенной зоны..

«Настройка» из запрещенной зоны может стать ключевым инструментом для повышения эффективности работы устройства, такие как кремний солнечного элемента, получив его, чтобы соответствовать более точно вид источника энергии, что он предназначен, чтобы использовать. По тонкой настройке его запрещенного, например, это может быть возможно сделать кремниевый солнечный элемент, который является столь же эффективным при захвате солнечного света, как его коллеги, но это только одна тысячной толщины. Теоретически, материал «может даже изменить из полупроводника с металлом, и что будет иметь много приложений, если это выполнимо в массовом производстве продукта,»Ли говорит.

Хотя это возможно в некоторых случаях, чтобы вызвать аналогичные изменения с помощью других средств, такие, как введение материала в сильном электрическом поле или химически изменяя его, эти изменения, как правило, имеют много побочных эффектов на поведение материала, тогда как изменение напряжения имеет меньше такие побочные эффекты. Например, Ли объясняет, электростатическое поле часто мешает работе устройства, так как она влияет на способ течет через него электричества. Изменение напряжения не производит такого вмешательства.

Потенциал бриллианта

Алмаз обладает большим потенциалом в качестве полупроводникового материала., хотя он все еще находится в зачаточном состоянии по сравнению с кремниевой технологией. «Это экстремальный материал, с высокой мобильностью носителя,»Ли говорит, имея в виду то, как отрицательные и положительные носители электрического тока свободно перемещаются через алмаз.. Потому что, алмаз может быть идеальным для некоторых видов высокочастотных электронных устройств и силовой электроники..

По некоторым меркам, Ли говорит, алмаз потенциально может выполнять 100,000 раз лучше силикона. Но у него есть другие ограничения, в том числе тот факт, что никто еще не придумал хороший и масштабируемый способ нанесения алмазных слоев на большую подложку. Материал также трудно «допировать».,” или ввести другие атомы в, ключевая часть производства полупроводников.

За счет установки материала в раму, которую можно отрегулировать для изменения величины и направления деформации., Дао говорит, «мы можем иметь значительную гибкость» в изменении его поведения легирующей примеси.

Принимая во внимание, что это исследование было сосредоточено конкретно на влиянии деформации на ширину запрещенной зоны материалов., «метод обобщается» на другие аспекты, которые влияют не только на электронные свойства, но и на другие свойства, такие как фотонное и магнитное поведение., Ли говорит. Из 1 процент деформации, который сейчас используется в коммерческих чипах, много новых приложений открывается теперь, когда эта команда показала, что штаммы почти 10 процентов можно без перелома. «Когда вы достигаете более чем 7 процент деформации, ты действительно многое меняешь в материале," он говорит.

«Этот новый метод потенциально может привести к разработке материалов с беспрецедентными свойствами.,»Ли говорит. «Но потребуется еще много работы, чтобы выяснить, как наложить нагрузку и как масштабировать процесс, чтобы сделать это на 100 миллион транзисторов на чипе [и убедитесь, что] ни один из них не может потерпеть неудачу».

«Эта новая инновационная работа демонстрирует потенциал для значительного ускорения разработки экзотических электронных свойств в обычных материалах с помощью больших упругих деформаций.,— говорит Эван Рид., адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии Стэнфордского университета, который не принимал участие в этом исследовании. «Это проливает свет на возможности и ограничения, которые природа демонстрирует для такой инженерии деформации., и это будет интересно широкому кругу исследователей, работающих над важными технологиями».

Источник: HTTP://news.mit.edu, Дэвид L. лавочник