สมัครตอนนี้

เข้าสู่ระบบ

ลืมรหัสผ่าน

ลืมรหัสผ่านของคุณ? กรุณากรอกอีเมลของคุณ. คุณจะได้รับลิงค์และจะสร้างรหัสผ่านใหม่ทางอีเมล.

เพิ่มโพสต์

คุณต้องเข้าสู่ระบบเพื่อเพิ่มโพสต์ .

เพิ่มคำถาม

คุณต้องเข้าสู่ระบบเพื่อถามคำถาม.

เข้าสู่ระบบ

สมัครตอนนี้

ยินดีต้อนรับสู่ Scholarsark.com! การลงทะเบียนของคุณจะอนุญาตให้คุณเข้าถึงโดยใช้คุณสมบัติเพิ่มเติมของแพลตฟอร์มนี้. สอบถามได้ค่ะ, บริจาคหรือให้คำตอบ, ดูโปรไฟล์ของผู้ใช้รายอื่นและอีกมากมาย. สมัครตอนนี้!

การใช้ปัญญาประดิษฐ์เพื่อสร้างคุณสมบัติของวัสดุ

ระบบใหม่ของ "วิศวกรรมความเครียด" สามารถเปลี่ยนแสงของวัสดุได้, ไฟฟ้า, และคุณสมบัติทางความร้อน. การใช้แรงเพียงเล็กน้อยกับชิ้นส่วนของเซมิคอนดักเตอร์หรือวัสดุผลึกอื่นๆ อาจทำให้การจัดเรียงอะตอมในโครงสร้างของมันผิดรูปไปมากพอที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของมันอย่างมาก, เช่นวิธีการนำไฟฟ้า, ส่งแสง, หรือนำความร้อน.

ตอนนี้, ทีมนักวิจัยจาก MIT และในรัสเซียและสิงคโปร์ได้ค้นพบวิธีใช้ปัญญาประดิษฐ์เพื่อช่วยทำนายและควบคุมการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้, อาจเปิดช่องทางใหม่ในการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุขั้นสูงสำหรับอุปกรณ์ไฮเทคในอนาคต.

การค้นพบนี้ปรากฏในสัปดาห์นี้ใน การดำเนินการของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ, ในบทความที่เขียนโดยศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์และวิศวกรรมศาสตร์ของ MIT และสาขาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ Ju Li, นักวิทยาศาสตร์วิจัยหลักของ MIT Ming Dao, และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก MIT Zhe Shi, กับ Evgeni Tsymbalov และ Alexander Shapeev ที่สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Skolkovo ในรัสเซีย, และสุบรา สุเรช, ศาสตราจารย์กิตติคุณ Vannevar Bush และอดีตคณบดีฝ่ายวิศวกรรมที่ MIT และประธานคนปัจจุบันของ Nanyang Technological University ในสิงคโปร์.

เรียบร้อยแล้ว, จากงานก่อนหน้านี้ที่ MIT, ชิปประมวลผลซิลิคอนบางตัวมีความเครียดยืดหยุ่นในระดับหนึ่ง. แม้แต่ก 1 เปอร์เซ็นต์การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในบางกรณีสามารถปรับปรุงความเร็วของอุปกรณ์ได้ 50 เปอร์เซ็นต์, โดยให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านวัสดุได้เร็วขึ้น.

การวิจัยล่าสุดโดย Suresh, ดาว, และหยางลู่, อดีต postdoc ของ MIT ปัจจุบันอยู่ที่ City University of Hong Kong, แสดงให้เห็นว่าแม้แต่เพชร, วัสดุที่แข็งแกร่งและแข็งที่สุดที่พบในธรรมชาติ, สามารถยืดแบบยืดหยุ่นได้มากถึง 9 เปอร์เซ็นต์โดยไม่มีความล้มเหลวเมื่ออยู่ในรูปแบบของ เข็มขนาดนาโนเมตร. Li และ Yang แสดงให้เห็นในทำนองเดียวกันว่าลวดซิลิกอนระดับนาโนสามารถยืดออกได้อย่างยืดหยุ่นมากกว่าปกติ 15 เปอร์เซ็นต์. การค้นพบเหล่านี้ได้เปิดช่องทางใหม่ในการสำรวจว่าอุปกรณ์ต่างๆ สามารถประดิษฐ์ขึ้นได้อย่างไร โดยมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุอย่างมาก.

สายพันธุ์สั่งทำ

แตกต่างจากวิธีอื่นในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุ, เช่น การเติมสารเคมี, ซึ่งก่อให้เกิดความถาวร, การเปลี่ยนแปลงแบบคงที่, วิศวกรรมความเครียดช่วยให้สามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติได้ทันที. “ความเครียดเป็นสิ่งที่คุณสามารถเปิดและปิดได้แบบไดนามิก,“หลี่กล่าว.

แต่ศักยภาพของวัสดุที่ออกแบบโดยความเครียดนั้นถูกขัดขวางโดยความเป็นไปได้ที่หลากหลาย. สามารถใช้ความเครียดได้ด้วยวิธีต่างๆ หกวิธี (ในสามมิติที่แตกต่างกัน, ซึ่งแต่ละอันสามารถสร้างความเครียดเข้าและออกหรือด้านข้างได้), และมีการไล่ระดับปริญญาจนแทบจะไม่มีที่สิ้นสุด, ดังนั้นความเป็นไปได้ทั้งหมดจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะสำรวจโดยการลองผิดลองถูก. “มันเติบโตอย่างรวดเร็ว 100 ล้านการคำนวณหากเราต้องการวาดแผนผังปริภูมิความเครียดแบบยืดหยุ่นทั้งหมด,“หลี่กล่าว.

นั่นคือจุดที่การประยุกต์ใช้วิธีการเรียนรู้ของเครื่องแบบใหม่ของทีมนี้เข้ามาช่วยเหลือ, จัดให้มีวิธีการที่เป็นระบบในการสำรวจความเป็นไปได้และกำหนดปริมาณและทิศทางของความเครียดที่เหมาะสมเพื่อให้ได้คุณสมบัติที่กำหนดสำหรับวัตถุประสงค์เฉพาะ. “ตอนนี้เรามีวิธีการที่มีความแม่นยำสูงมาก” ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนในการคำนวณที่จำเป็นลงได้อย่างมาก, หลี่พูดว่า.

“งานนี้เป็นตัวอย่างให้เห็นความก้าวหน้าล่าสุดในสาขาที่ดูเหมือนห่างไกล เช่น ฟิสิกส์วัตถุ, รวมถึงวิทยาศาสตร์ข้อมูลและการพัฒนาเว็บ, การคำนวณ, และการเรียนรู้ของเครื่องสามารถนำมารวมกันเพื่อพัฒนาความรู้ทางวิทยาศาสตร์ที่มีผลกระทบอย่างมากต่อการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม,“สุเรชกล่าว.

วิธีการใหม่, นักวิจัยกล่าวว่า, สามารถเปิดโอกาสในการสร้างวัสดุที่ปรับให้เหมาะกับระบบอิเล็กทรอนิกส์โดยเฉพาะ, ออปโตอิเล็กทรอนิกส์, และอุปกรณ์โฟโตนิกที่สามารถนำไปใช้ในการสื่อสารได้, การประมวลผลข้อมูล, และการประยุกต์ใช้พลังงาน.

เมื่อใช้ความเครียดเล็กน้อยกับวัสดุที่เป็นผลึก เช่น ซิลิคอน, คุณสมบัติของมันสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมาก; ตัวอย่างเช่น, มันสามารถเปลี่ยนจากการปิดกั้นกระแสไฟฟ้าไปสู่การนำไฟฟ้าได้อย่างอิสระเหมือนโลหะ. เครดิต: แฟรงค์ ชิ

ทีมงานศึกษาผลกระทบของความเครียดต่อ bandgap, ทรัพย์สินทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญของเซมิคอนดักเตอร์, มีทั้งซิลิคอนและเพชร. การใช้อัลกอริธึมโครงข่ายประสาทเทียม, พวกเขาสามารถทำนายด้วยความแม่นยำสูงว่าปริมาณและทิศทางของความเครียดที่แตกต่างกันจะส่งผลต่อ bandgap อย่างไร.

“การปรับแต่ง” ของ bandgap อาจเป็นเครื่องมือสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์, เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน, โดยทำให้ตรงกับแหล่งพลังงานที่ออกแบบมาเพื่อควบคุมได้แม่นยำยิ่งขึ้น. โดยการปรับแต่ง bandgap อย่างละเอียด, ตัวอย่างเช่น, อาจเป็นไปได้ที่จะสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนที่มีประสิทธิภาพในการจับแสงอาทิตย์พอๆ กัน แต่มีความหนาเพียงหนึ่งในพันเท่านั้น. ในทางทฤษฎี, วัสดุ “สามารถเปลี่ยนจากเซมิคอนดักเตอร์เป็นโลหะได้, และนั่นก็จะมีการใช้งานมากมาย, หากสามารถทำได้ในผลิตภัณฑ์ที่ผลิตเป็นจำนวนมาก,“หลี่กล่าว.

แม้ว่าในบางกรณีจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่คล้ายกันด้วยวิธีอื่นได้, เช่นการนำวัสดุไปไว้ในสนามไฟฟ้ากำลังแรงหรือการเปลี่ยนแปลงทางเคมี, การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะมีผลข้างเคียงมากมายต่อพฤติกรรมของวัสดุ, ในขณะที่การเปลี่ยนความเครียดจะมีผลข้างเคียงน้อยกว่า. ตัวอย่างเช่น, หลี่อธิบาย, สนามไฟฟ้าสถิตมักจะรบกวนการทำงานของอุปกรณ์เนื่องจากส่งผลต่อวิธีที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน. การเปลี่ยนความเครียดจะไม่ทำให้เกิดการรบกวนดังกล่าว.

ศักยภาพของเพชร

เพชรมีศักยภาพที่ดีในฐานะวัสดุเซมิคอนดักเตอร์, แม้ว่าจะยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีซิลิคอนก็ตาม. “มันเป็นวัสดุที่รุนแรง, ด้วยความคล่องตัวของผู้ให้บริการสูง,“หลี่กล่าว, หมายถึงวิธีที่พาหะของกระแสไฟฟ้าเป็นลบและบวกเคลื่อนที่อย่างอิสระผ่านเพชร. เพราะเหตุนั้น, เพชรอาจเหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูงบางประเภทและสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง.

โดยมาตรการบางอย่าง, หลี่พูดว่า, เพชรก็สามารถทำงานได้ 100,000 ดีกว่าซิลิกอนหลายเท่า. แต่ก็มีข้อจำกัดอื่นๆ, รวมถึงข้อเท็จจริงที่ว่ายังไม่มีใครค้นพบวิธีที่ดีและสามารถปรับขนาดได้ในการใส่ชั้นเพชรลงบนพื้นผิวขนาดใหญ่. วัสดุยังยากต่อการ “ฉีดยา”,” หรือนำอะตอมอื่นเข้ามา, ส่วนสำคัญของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์.

โดยการติดตั้งวัสดุไว้ในกรอบที่สามารถปรับเปลี่ยนปริมาณและการวางแนวของความเครียดได้, ดาวบอกว่า, “เราสามารถมีความยืดหยุ่นได้มาก” ในการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของสารเจือปน.

ในขณะที่การศึกษานี้เน้นไปที่ผลกระทบของความเครียดต่อแถบช่องว่างของวัสดุโดยเฉพาะ, “วิธีนี้สามารถสรุปได้ทั่วไป” กับด้านอื่นๆ, ซึ่งไม่เพียงส่งผลต่อคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อคุณสมบัติอื่นๆ เช่น พฤติกรรมโฟโตนิกและแม่เหล็กด้วย, หลี่พูดว่า. จาก 1 เปอร์เซ็นต์ความเครียดตอนนี้ถูกนำมาใช้ในชิปเชิงพาณิชย์, แอปพลิเคชั่นใหม่ ๆ มากมายเปิดขึ้นมาแล้วซึ่งทีมงานนี้ได้แสดงให้เห็นว่าเกือบ 10 เปอร์เซ็นต์เป็นไปได้โดยไม่แตกหัก. “เมื่อคุณได้มากกว่านั้น 7 เปอร์เซ็นต์ความเครียด, คุณเปลี่ยนแปลงเนื้อหาไปมากจริงๆ," เขาพูดว่า.

“วิธีการใหม่นี้อาจนำไปสู่การออกแบบคุณสมบัติของวัสดุที่ไม่เคยมีมาก่อน,“หลี่กล่าว. “แต่จะต้องมีการทำงานเพิ่มเติมอีกมากเพื่อหาวิธีกำหนดความเครียดและวิธีขยายกระบวนการให้ดำเนินการต่อไป 100 ล้านทรานซิสเตอร์บนชิป [และรับรองว่า] ไม่มีสิ่งใดที่จะล้มเหลวได้”

“งานใหม่ที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการเร่งวิศวกรรมคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่แปลกใหม่ในวัสดุธรรมดาผ่านสายพันธุ์ยืดหยุ่นขนาดใหญ่อย่างมีนัยสำคัญ,“อีวาน รีด กล่าว, รองศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด, ที่ไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยครั้งนี้. “มันให้ความกระจ่างเกี่ยวกับโอกาสและข้อจำกัดที่ธรรมชาติแสดงออกมาสำหรับวิศวกรรมความเครียดดังกล่าว, และจะเป็นที่สนใจของนักวิจัยในวงกว้างที่ทำงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีที่สำคัญ”


แหล่งที่มา: http://news.mit.edu, โดย David L. แชนด์เลอร์

เกี่ยวกับ มารี

ทิ้งคำตอบไว้