Door slechts een beetje spanning uit te oefenen op een stuk halfgeleider of ander kristallijn materiaal, kan de ordelijke rangschikking van atomen in zijn structuur voldoende vervormen om dramatische veranderingen in zijn eigenschappen te veroorzaken, zoals de manier waarop het elektriciteit geleidt, licht door, of geleidt warmte.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het MIT en in Rusland en Singapore heeft manieren gevonden om kunstmatige intelligentie te gebruiken om deze veranderingen te voorspellen en te beheersen, mogelijk nieuwe wegen openen voor onderzoek naar geavanceerde materialen voor toekomstige hightech-apparaten.

De bevindingen verschijnen deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences , in een paper geschreven door MIT-professor nucleaire wetenschap en techniek en materiaalwetenschap en techniek Ju Li, MIT hoofdonderzoeker Ming Dao, en MIT-afgestudeerde student Zhe Shi, met Evgeni Tsymbalov en Alexander Shapeev aan het Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie in Rusland, en Subra Suresh, de emeritus hoogleraar van Vannevar Bush en voormalig decaan van engineering aan het MIT en huidige president van de Nanyang Technological University in Singapore.

Nu al, gebaseerd op eerder werk aan het MIT, een zekere mate van elastische spanning is opgenomen in sommige siliciumprocessorchips. Zelfs een verandering van 1 procent in de structuur kan in sommige gevallen de snelheid van het apparaat met 50 procent verbeteren, door elektronen sneller door het materiaal te laten bewegen.

Recent onderzoek van Suresh, Dao, en Yang Lu, een voormalig MIT-postdoc nu aan de City University of Hong Kong, toonde aan dat zelfs diamant, het sterkste en hardste materiaal in de natuur, kan elastisch worden uitgerekt met maar liefst 9 procent zonder te falen wanneer het de vorm heeft van naalden ter grootte van nanometers. Li en Yang toonden op dezelfde manier aan dat siliciumdraden op nanoschaal met meer dan 15 procent puur elastisch kunnen worden uitgerekt. Deze ontdekkingen hebben nieuwe wegen geopend om te onderzoeken hoe apparaten kunnen worden gefabriceerd met nog meer dramatische veranderingen in de eigenschappen van de materialen.

Stam op bestelling gemaakt

In tegenstelling tot andere manieren om de eigenschappen van een materiaal te veranderen, zoals chemische doping, die een blijvend, statische verandering, strain engineering maakt het mogelijk om eigenschappen on-the-fly te veranderen. "Strain is iets dat je dynamisch kunt in- en uitschakelen, "zegt Li.

Maar het potentieel van door spanning ontworpen materialen wordt belemmerd door het enorme scala aan mogelijkheden. Spanning kan op zes verschillende manieren worden toegepast (in drie verschillende dimensies, die elk spanning in-en-uit of zijwaarts kunnen produceren), en met bijna oneindige gradaties, dus het volledige scala aan mogelijkheden is onpraktisch om eenvoudig met vallen en opstaan ​​te verkennen. "Het groeit snel naar 100 miljoen berekeningen als we de hele elastische rekruimte in kaart willen brengen, "zegt Li.

Dat is waar de nieuwe toepassing van machine learning-methoden van dit team te hulp komt, een systematische manier bieden om de mogelijkheden te verkennen en de juiste hoeveelheid en richting van de belasting te vinden om een ​​bepaalde reeks eigenschappen voor een bepaald doel te bereiken. "Nu hebben we deze zeer nauwkeurige methode" die de complexiteit van de benodigde berekeningen drastisch vermindert, zegt Li.

"Dit werk is een illustratie van hoe recente ontwikkelingen op schijnbaar verre gebieden zoals materiële fysica, kunstmatige intelligentie, computergebruik, en machine learning kunnen worden samengebracht om wetenschappelijke kennis te bevorderen die sterke implicaties heeft voor industriële toepassingen, ' zegt Suresh.

De nieuwe methode, zeggen de onderzoekers, zou mogelijkheden kunnen bieden voor het maken van materialen die precies zijn afgestemd op elektronische, opto-elektronisch, en fotonische apparaten die gebruikt kunnen worden voor communicatie, informatieverwerking, en energietoepassingen.

Het team bestudeerde de effecten van spanning op de bandgap, een belangrijke elektronische eigenschap van halfgeleiders, in zowel silicium als diamant. Met behulp van hun neurale netwerkalgoritme, ze waren in staat om met hoge nauwkeurigheid te voorspellen hoe verschillende hoeveelheden en oriëntaties van spanning de bandgap zouden beïnvloeden.

"Afstemming" van een bandgap kan een belangrijk hulpmiddel zijn om de efficiëntie van een apparaat te verbeteren, zoals een silicium zonnecel, door het nauwkeuriger af te stemmen op het soort energiebron waarvoor het is ontworpen. Door de bandgap te verfijnen, bijvoorbeeld, het is misschien mogelijk om een ​​siliciumzonnecel te maken die net zo effectief is in het opvangen van zonlicht als zijn tegenhangers, maar slechts een duizendste zo dik is. In theorie, het materiaal "kan zelfs veranderen van een halfgeleider in een metaal, en dat zou veel toepassingen hebben, als dat mogelijk is in een massaproduct, "zegt Li.

Hoewel het in sommige gevallen mogelijk is om soortgelijke veranderingen op andere manieren teweeg te brengen, zoals het materiaal in een sterk elektrisch veld plaatsen of het chemisch veranderen, die veranderingen hebben vaak veel bijwerkingen op het gedrag van het materiaal, terwijl het veranderen van de soort minder dergelijke bijwerkingen heeft. Bijvoorbeeld, Li legt uit, een elektrostatisch veld verstoort vaak de werking van het apparaat omdat het invloed heeft op de manier waarop elektriciteit er doorheen stroomt. Het veranderen van de spanning veroorzaakt geen dergelijke interferentie.

Het potentieel van diamant

Diamant heeft een groot potentieel als halfgeleidermateriaal, hoewel het nog in de kinderschoenen staat in vergelijking met siliciumtechnologie. "Het is een extreem materiaal, met een hoge dragermobiliteit, "Li zegt, verwijzend naar de manier waarop negatieve en positieve dragers van elektrische stroom vrij door diamant bewegen. Daarom, diamant zou ideaal kunnen zijn voor sommige soorten hoogfrequente elektronische apparaten en voor vermogenselektronica.

Door een aantal maatregelen Li zegt, diamant zou potentieel 100 kunnen presteren, 000 keer beter dan silicium. Maar het heeft andere beperkingen, inclusief het feit dat nog niemand een goede en schaalbare manier heeft bedacht om diamantlagen op een groot substraat aan te brengen. Het materiaal is ook moeilijk te dopen, " of andere atomen introduceren in, een belangrijk onderdeel van de productie van halfgeleiders.

Door het materiaal in een frame te monteren dat kan worden aangepast om de hoeveelheid en oriëntatie van de spanning te veranderen, Dao zegt, "we kunnen een aanzienlijke flexibiliteit hebben" bij het veranderen van het doteringsgedrag.

Terwijl deze studie zich specifiek richtte op de effecten van spanning op de bandgap van de materialen, "de methode is generaliseerbaar" naar andere aspecten, die niet alleen elektronische eigenschappen beïnvloeden, maar ook andere eigenschappen zoals fotonisch en magnetisch gedrag, zegt Li. Van de 1 procent stam die nu wordt gebruikt in commerciële chips, veel nieuwe toepassingen openen zich nu dit team heeft aangetoond dat stammen van bijna 10 procent mogelijk zijn zonder te breken. "Als je meer dan 7 procent belasting krijgt, je verandert echt veel in het materiaal, " hij zegt.

"Deze nieuwe methode kan mogelijk leiden tot het ontwerp van ongekende materiaaleigenschappen, "zegt Li. "Maar er zal nog veel meer werk nodig zijn om erachter te komen hoe de belasting kan worden opgelegd en hoe het proces kan worden opgeschaald om dit op 100 miljoen transistors op een chip te doen [en ervoor te zorgen dat] geen van hen kan falen."