Forskning finder drastiske ændringer i termisk ledningsevne af diamanter under stress

Diamant er det hårdeste materiale, der findes i naturen – diamant har også den højeste varmeledningsevne, hvilket tillader den mest varme at strømme gennem den hurtigt.

Et internationalt hold af videnskabsmænd opdagede ved hjælp af supercomputersimuleringer, at ved at bøje diamant, kan dens termiske ledningsevne tunes drastisk op eller ned. Forskere verden over er interesserede i at studere elastisk strain engineering for at opdage de egenskaber, som materialer udviser, når de er under store træk- eller forskydningsspændinger.

Fund som dette kunne åbne døren for udvikling af nye mikroelektroniske og optoelektroniske enheder såsom computerchips, kvantesensorer, kommunikationsenheder og mere.

"Vores undersøgelse demonstrerer rammerne for at kortlægge hele fononstabilitetsgrænsen i seksdimensionelt spændingsrum, som kan guide konstruktionen af ​​materialer gennem elastisk belastningsteknik," siger Frank Shi, en tidligere forsker i Institut for Nuklear Science and Engineering og Instituttet. of Materials Science and Engineering ved Massachusetts Institute of Technology.

Shi var medforfatter til undersøgelsen, der afslører diamants afstembare termiske ledningsevne, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences i februar 2024.

Shi og kolleger udviklede en beregningsmodel kalibreret mod eksperimentelle data ved hjælp af neutron- og røntgenspredning af udeformeret diamant til at bestemme fysiske egenskaber af anstrengt diamant, såsom fononstabilitet, fononbåndstrukturer og fononlevetider.

"Ved at anvende denne ramme fandt vi ud af, at den termiske ledningsevne af diamantgitter ved stuetemperatur kan øges eller reduceres med mere end 90 % gennem mekaniske belastninger uden at inducere ustabilitet inde i materialet," tilføjede Shi.

Shi afsluttede tidligere arbejde i 2021, der udførte kvantemekaniske beregninger af diamantens elektroniske båndstruktur, som beskriver elektronernes energi og var vigtig i konstruktionen af ​​gittervibrationsmodellen.

Det videnskabelige hold brugte en Frontera supercomputer på Texas Advanced Computing Center (TACC). De startede med en Pathways-allokering og udvidede senere til en Leadership Resource Allocation på op til fem millioner nodetimer.

"Vi brugte Frontera til at generere data fra det store, seksdimensionelle belastningsrum, foruden den tredimensionelle fononbåndstruktur," sagde studiets medforfatter Ju Li, professor i Materials Science and Engineering og Battelle Energy Alliance Professor i Nuclear Engineering ved MIT.

Li brugte Frontera til at gennemføre tusindvis af tæthedsfunktionsteoretiske beregninger for at bestemme fononbåndstrukturen og fononspredningsegenskaber som en funktion af belastningstensor. Derefter trænede de et DPU-netværk (databehandlingsenhed) ved hjælp af maskinlæring til at generere en nidimensionel responsfunktion til modellen.

"Og med det er vi i stand til at levere diamantens vibrationsegenskaber og elektroniske egenskaber til vilkårlig belastning på en hurtigvirkende måde," tilføjede Li. "Det er en meget billigere beregning nu med maskinlæringsmodellen. For første gang er vi i stand til fuldt ud at afgrænse den seksdimensionelle 'ideelle strain'-overflade."

Ifølge Li fremmer dette arbejde konceptet om ideel stamme, som først blev foreslået af Yakov Frenkel i 1926, som giver et kugletal for simpel forskydning, uden at tage højde for materialets individuelle egenskaber.

"Med Frontera-supercomputeren var vi i stand til at lave et navigationskort over det elastiske belastningsrum, som styrer diamantens fononstabilitet og termiske ledningsevne for første gang," tilføjede Li.

I bærbare computere og mobiltelefoner bruges standard strain silicium-teknologi til at strække transistorens krystalgitter med omkring én procent, hvilket får elektronerne til at bevæge sig hurtigere i siliciumkanalen.

"Vi går op til 10%," sagde Li. "Og fordi det er et seksdimensionelt rum, hvis jeg øger tøjningsstørrelsen med en faktor 10, er dets parametriske volumen større med en faktor på en million i det elastiske tøjningsrum. Det er grunden til, at vi har brug for en højdrevet beregning for at kortlægge funktioner."

"De kvantemekaniske beregninger udført på Frontera gav os grundsandheden i disse data, så vi kunne træne en maskinlæringsmodel," tilføjede Shi.

Uden maskinlæring ville milliarder af beregninger være nødvendige for at modellere det betydelige antal belastningstilstande

"Det sparer os for værdifuld beregningstid uden at ofre nøjagtigheden," sagde Shi.

Denne forskning passer ind i en større videnskabelig indsats kaldet Material Genome Initiative (MGI), en konceptuel analog til Human Genome Project, der kortlagde og sekventerede gener i det menneskelige genom. MGI'en integrerer avanceret modellering, beregnings- og eksperimentelle værktøjer og kvantitative data for at fremskynde opdagelser af avancerede materialer, der bruges i batterier, computerchips og mere.

"De yderligere seks belastningsgrader af frihed, vi studerede, giver os enorme nye friheder," sagde Li. Fononens vibrationsegenskaber er nøglen til superledningsevne, termoelektriske egenskaber og termisk ledningsevne.

Li tilføjede, at Frontera er en "enorm" ressource ikke kun til forskning, men også for uddannelse og udvikling af arbejdsstyrken. "For min gruppe har systemet hjulpet mig med at vejlede praktikanter fra West Point fra ROTC-studerende. De finder det ekstremt nemt at få adgang til og bruge," sagde Li.

Det er blevet sagt mange gange, at supercomputere hjælper med at fremskynde den materialevidenskabelige opdagelsesproces.

"De gør det muligt for os at bruge simuleringer til hurtigt at gentage raffinerede modeller baseret på nye data og derefter udforske forskellige tilgange til materialedesign og -fund," konkluderede Shi. "Denne hurtige cyklus af hypotese-testning fremskynder overgangen fra teoretiske indsigter til praktiske anvendelser. Det er et vigtigt og tiltrængt paradigme for materialeforskere at udføre moderne forskning."