采用人工智能工程师材料的属性

“应变工程”的新系统可以改变材料的光, 电动, 性能和热性能. 施加只是有点菌株在一块半导体或其他结晶材料的可变形在其结构中足够的原子的有序排列，以使在其属性的急剧变化, 如它的方式进行电力, 透射光, 或导热.

现在, 一个研究小组在麻省理工学院在俄罗斯和新加坡已经找到了利用人工智能技术，以帮助预测和控制这些变化, 对未来的高科技设备先进的材料可能开辟新的研究途径.

研究结果这个星期出现在 国家科学学院院刊, 在核科学和工程教授，麻省理工学院材料科学与工程鞠丽撰写的论文, 麻省理工学院的首席研究科学家明道, 和麻省理工学院的研究生施哲, 与叶夫根Tsymbalov和亚历山大Shapeev在科学和技术在俄罗斯的斯科尔科沃学院, 和萨布拉·瑟什, 的万尼瓦尔·布什的名誉教授和麻省理工学院工程的前院长，并在新加坡南洋理工大学的现任校长.

已经, 基于麻省理工学院早期工作, 某种程度的弹性应变的已在部分硅处理器芯片被纳入. 即使是 1 在该结构中的百分比变化在一些情况下提高了装置的速度通过 50 百分, 通过允许电子通过该材料更快的移动.

通过苏雷什最新研究, Dao, 和杨璐, 现在前麻省理工学院博士后，在香港城市大学, 表明，即使钻石, 在自然界中发现的最强和最硬的材料, 可多达被拉伸弹性 9 无故障百分比，当它是在形式 纳米级针. Li和羊类似地证明了硅的纳米级线，可以通过比更纯粹的弹性伸长 15 百分. 这些发现开辟了新的途径来探索如何在材料性能发生更大变化的情况下制造设备.

应变定做

与改变材料的性质的其他方式, 如化学掺杂, 其产生永久, 静态变化, 应变工程允许的属性在飞行中改变. “应变是你可以打开和关闭动态,”李说.

但应变工程材料的电势受到阻碍的可能性的艰巨范围. 应变可以在任何的六个不同的方式来应用 (在三个不同的维度, 其中的每一个可以产生应变和出或侧向), 与程度几乎无限的层次, 这样的可能性全方位是不切实际的试验和错误只是探索. “它迅速增长到 100 万元计算，如果我们想绘制出整个弹性应变空间,”李说.

这就是这支球队的机器学习方法新的应用来救援, 提供探索的可能性和在适当的量和应变的方向归巢中的系统的方式来实现用于特定目的的给定属性集. “现在我们有这个非常高精度法”，大大降低了所需的计算的复杂性, 李说：.

“这项工作是在看似遥远领域，如材料物理如何最新进展的说明, 人工智能, 计算, 和机器学习可以带来共同推进具有用于工业应用提供强有力的影响的科学知识,”说苏雷什.

新方法, 研究人员说，, 可以打开的可能性为电子调谐创建精确的材料, 光电, 和光子器件，可以找到通信用途, 信息处理, 和能源应用.

当应变少量施加到像硅结晶材料, 其性能可以显着改变; 例如, 它可以从阻断电流自由地转移到导通它像一个金属. 信用: Frank Shi

该小组研究了带隙应变的影响, 半导体的电子密钥属性, 在硅和金刚石. 利用他们的神经网络算法, 他们能够以高精度预测如何应变的不同数量和方向会影响带隙.

的带隙的“调谐”可以是用于改善装置的效率的关键工具, 如硅太阳能电池, 通过让以匹配更精确的那种，它被设计成利用能源. 通过微调其带隙, 例如, 有可能使一个硅太阳能电池，这只是在捕获太阳光作为其对应一样有效，但是只有千分之一厚. 理论上, 材料“甚至可以从半导体改变为金属, 这将有很多应用, 如果这是在大规模生产的产品是可行的,”李说.

虽然它可能在某些情况下，诱导通过其他方式类似的变化, 例如将材料置于强电场中或对其进行化学改变, 这些变化往往会对材料的行为产生许多副作用, 而改变应变的副作用较少. 例如, 李解释, 静电场通常会干扰设备的运行，因为它会影响电流通过它的方式. 改变应变不会产生这种干扰.

钻石的潜力

金刚石作为半导体材料潜力巨大, 尽管与硅技术相比仍处于起步阶段. “这是一种极端的材料, 具有高载流子迁移率,”李说, 指电流的正负载流子在金刚石中自由移动的方式. 因为那个, 金刚石可能是某些高频电子设备和电力电子设备的理想选择.

通过一些措施, 李说：, 钻石可能表现 100,000 比硅好几倍. 但它还有其他限制, 包括这样一个事实，即没有人想出一种在大基板上放置金刚石层的良好且可扩展的方法. 材质也难“掺杂”,”或将其他原子引入, 半导体制造的关键部分.

通过将材料安装在可以调整的框架中以改变应变的量和方向, 道说, “我们可以有相当大的灵活性”来改变其掺杂行为.

而这项研究特别关注应变对材料带隙的影响, “该方法可推广”到其他方面, 这不仅会影响电子特性，还会影响其他特性，例如光子和磁行为, 李说：. 来自 1 现在商业芯片中使用的应变百分比, 现在这个团队已经证明了几乎 10 不破裂的百分比是可能的. “当你达到超过 7 应变百分比, 你真的在材料上改变了很多,“ 他说.

“这种新方法可能会导致设计前所未有的材料特性,”李说. “但是还需要做更多的工作来弄清楚如何施加压力以及如何扩大流程以在 100 芯片上有百万个晶体管 [并确保] 他们都不能失败。”

“这项创新的新工作展示了通过大弹性应变显着加速普通材料中奇异电子特性工程的潜力,”埃文·里德说, 斯坦福大学材料科学与工程系副教授, 谁没有参与这项研究. “它揭示了大自然为这种应变工程展示的机会和局限性, 研究重要技术的广泛研究人员将会对它感兴趣。”

资源: HTTP://news.mit.edu, 由大卫大号. 钱德勒