Brug af kunstig intelligens til at konstruere materialeegenskaber

Ved at påføre et stykke halvleder eller andet krystallinsk materiale kun en smule belastning kan det deformere det ordnede arrangement af atomer i dets struktur nok til at forårsage dramatiske ændringer i dets egenskaber, såsom den måde den leder elektricitet på, sender lys, eller leder varme.

Nu, et team af forskere ved MIT og i Rusland og Singapore har fundet måder at bruge kunstig intelligens til at hjælpe med at forudsige og kontrollere disse ændringer, potentielt åbne op for nye muligheder for forskning i avancerede materialer til fremtidige højteknologiske enheder.

Resultaterne vises i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences , i et papir forfattet af MIT professor i nuklear videnskab og teknik og i materialevidenskab og teknik Ju Li, MIT hovedforsker Ming Dao, og MIT kandidatstuderende Zhe Shi, med Evgeni Tsymbalov og Alexander Shapeev ved Skolkovo Institute of Science and Technology i Rusland, og Subra Suresh, Vannevar Bush professor emeritus og tidligere dekan for ingeniørvidenskab ved MIT og nuværende præsident for Nanyang Technological University i Singapore.

Allerede, baseret på tidligere arbejde på MIT, en vis grad af elastisk belastning er blevet inkorporeret i nogle siliciumprocessorchips. Selv en ændring på 1 procent i strukturen kan i nogle tilfælde forbedre enhedens hastighed med 50 procent, ved at lade elektroner bevæge sig hurtigere gennem materialet.

Nylig forskning af Suresh, Dao, og Yang Lu, en tidligere MIT postdoc nu ved City University of Hong Kong, viste, at selv diamant, det stærkeste og hårdeste materiale, der findes i naturen, kan elastisk strækkes med hele 9 procent uden fejl, når det er i form af nanometerstore nåle. Li og Yang demonstrerede på samme måde, at tråde i nanoskala af silicium kan strækkes rent elastisk med mere end 15 procent. Disse opdagelser har åbnet nye veje til at udforske, hvordan enheder kan fremstilles med endnu mere dramatiske ændringer i materialernes egenskaber.

Stamme lavet på bestilling

I modsætning til andre måder at ændre et materiales egenskaber på, såsom kemisk doping, som producerer en permanent, statisk forandring, strain engineering gør det muligt at ændre egenskaber med det samme. "Strain er noget, du kan tænde og slukke dynamisk, " siger Li.

Men potentialet for stamme-konstruerede materialer er blevet hæmmet af den skræmmende række af muligheder. Strain kan påføres på en hvilken som helst af seks forskellige måder (i tre forskellige dimensioner, som hver især kan producere belastning ind og ud eller sidelæns), og med næsten uendelige gradueringer, så hele rækken af ​​muligheder er upraktisk at udforske blot ved at prøve og fejle. "Det vokser hurtigt til 100 millioner beregninger, hvis vi vil kortlægge hele det elastiske tøjningsrum, " siger Li.

Det er her, dette holds nye anvendelse af maskinlæringsmetoder kommer til undsætning, at give en systematisk måde at udforske mulighederne og finde den passende mængde og retning af belastning for at opnå et givet sæt egenskaber til et bestemt formål. "Nu har vi denne metode med meget høj nøjagtighed", der drastisk reducerer kompleksiteten af ​​de nødvendige beregninger, siger Li.

"Dette arbejde er en illustration af, hvordan de seneste fremskridt inden for tilsyneladende fjerne områder såsom materialefysik, kunstig intelligens, computer, og maskinlæring kan bringes sammen for at fremme videnskabelig viden, der har stærke implikationer for industriapplikationer, " siger Suresh.

Den nye metode, siger forskerne, kunne åbne op for muligheder for at skabe materialer, der er tunet præcist til elektroniske, optoelektronisk, og fotoniske enheder, der kunne finde anvendelser til kommunikation, informationsbehandling, og energianvendelser.

Holdet undersøgte virkningerne af belastning på båndgabet, en vigtig elektronisk egenskab ved halvledere, i både silicium og diamant. Ved at bruge deres neurale netværksalgoritme, de var i stand til med høj nøjagtighed at forudsige, hvordan forskellige mængder og orienteringer af belastning ville påvirke båndgabet.

"Tuning" af et båndgab kan være et nøgleværktøj til at forbedre effektiviteten af ​​en enhed, såsom en silicium solcelle, ved at få den til at matche mere præcist den slags energikilde, den er designet til at udnytte. Ved at finjustere dens båndgab, for eksempel, det kan være muligt at lave en siliciumsolcelle, der er lige så effektiv til at fange sollys som dens modstykker, men som kun er en tusindedel så tyk. I teorien, materialet "kan endda ændre sig fra en halvleder til et metal, og det ville have mange anvendelser, hvis det kan lade sig gøre i et masseproduceret produkt, " siger Li.

Selvom det i nogle tilfælde er muligt at fremkalde lignende ændringer på andre måder, såsom at sætte materialet i et stærkt elektrisk felt eller kemisk ændre det, disse ændringer har en tendens til at have mange bivirkninger på materialets adfærd, hvorimod ændring af stammen har færre sådanne bivirkninger. For eksempel, Li forklarer, et elektrostatisk felt forstyrrer ofte enhedens funktion, fordi det påvirker den måde, hvorpå elektricitet strømmer gennem den. Ændring af stammen frembringer ingen sådan interferens.

Diamantens potentiale

Diamant har et stort potentiale som halvledermateriale, selvom den stadig er i sin vorden sammenlignet med siliciumteknologi. "Det er et ekstremt materiale, med høj transportørmobilitet, "Li siger, henviser til den måde negative og positive bærere af elektrisk strøm bevæger sig frit gennem diamant. På grund af det, diamant kunne være ideel til nogle slags højfrekvente elektroniske enheder og til kraftelektronik.

Ved nogle foranstaltninger, Li siger, diamant kunne potentielt yde 100, 000 gange bedre end silicium. Men det har andre begrænsninger, herunder det faktum, at ingen endnu har fundet ud af en god og skalerbar måde at lægge diamantlag på et stort underlag. Materialet er også svært at "dope, "eller introducere andre atomer i, en vigtig del af halvlederfremstilling.

Ved at montere materialet i en ramme, der kan justeres for at ændre mængden og orienteringen af ​​belastningen, Dao siger, "vi kan have betydelig fleksibilitet" til at ændre dens dopingadfærd.

Mens denne undersøgelse fokuserede specifikt på virkningerne af belastning på materialernes båndgab, "metoden er generaliserbar" til andre aspekter, som påvirker ikke kun elektroniske egenskaber, men også andre egenskaber såsom fotonisk og magnetisk adfærd, siger Li. Fra den 1 procent stamme, der nu bruges i kommercielle chips, mange nye applikationer åbner sig nu, hvor dette team har vist, at stammer på næsten 10 procent er mulige uden at bryde. "Når du kommer til mere end 7 procent belastning, du ændrer virkelig meget i materialet, " han siger.

"Denne nye metode kan potentielt føre til design af hidtil usete materialeegenskaber, " siger Li. "Men der vil være behov for meget yderligere arbejde for at finde ud af, hvordan man påfører belastningen, og hvordan man skalerer processen op for at gøre det på 100 millioner transistorer på en chip [og sikre, at] ingen af ​​dem kan fejle."