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MIT用人工智能方式开发新材料,有望引领通信、能源技术变革

2019-02-26 09:58
来源: 科技行者

只要对一块半导体或其它晶体材料施加一点应变,即会使其结构中原子的有序排列发生变形,从而引发其性质转换——例如导电、透光或者传导热量等等。

如今,麻省理工学院、俄罗斯以及新加坡共同组建的一个研究小组,已经找到利用人工智能以协助预测并管理此种变化的方法,而这有望为未来的高科技设备开辟前沿材料研究。

此项研究结果被发表在上周的《美国国家科学院院刊》上,由麻省理工学院核科学与工程学教授、材料科学与工程学教授Ju Li,麻省理工学院首席研究科学家Ming Dao,以及麻省理工学院研究生Zhe Shi共同撰写。另外,俄罗斯Skolkovo科学与技术研究院的Evgenii Tsymbalov与Alexander Shapeev,Vannevar Bush退休教授、麻省理工学院前工程系主任兼现任新加坡南洋理工大学校长Subra Suresh亦参与其中。

基于麻省理工学院的一系列早期工作成果,他们已经能够在多种硅处理器芯片当中实现一定程度的弹性应变。通过让电子以更高速度穿过材料,即使仅引发1%的整体结构变化,也可以在某些情况下将器件的运行速度提高50%。

最近,由前麻省理工学院博士后、现就职于香港城市大学的Suresh、Dao与Yang Lu进行的研究表明,即使是自然界中最为坚固且硬度极高的钻石,在以纳米级针状形式存在时,亦可实现高达9%的弹性拉伸且不致结构失效。Li和Yang同时证明,纳米级硅线的纯弹性拉伸承受量甚至超过15%。这些发现开发了一种新的途径,使得我们能够以前所未有的方法探索如何显著改变材料的性质以制造更多器件类别。

应变改变排列

化学掺杂等原有改变材料性质的方法,会导致材料产生永久性的静态变化。与之不同,应变工程允许研究人员在其运行过程当中变更属性。Li解释称,“应变的特点,在于我们能够以动态方式开启并关闭一些属性。”

不过,应变工程材料的发展潜力,亦受到严重阻碍。应变能够以六种不同的方式具体实现(立足不种不同的维度,其中每一个维度都能够产生内/外或者侧向的应变),且其各自拥有几乎无限的度数级别,因此单纯依靠反复试验来探索全部可能性显然不切实际。Li表示,“如果我们想要绘制整个弹性应变空间,那么计算总量将快速增长至上亿级别。”

正因为如此,该团队才选择以机器学习方法解决问题。他们希望借此建立一种系统性方式,从而探索可能性并找出适当的应变量与方向,最终实现面向特定属性集的特定目标。Li指出,“现在我们拥有了这种精度非常高的方法”,因此大大降低了需要面对的计算复杂性水平。

Suresh也解释称,“这项工作说明,材料物理学、人工智能、计算以及机器学习这些看似彼此毫无关联的领域,仍然能够以特殊的方式给支撑工业生产应用的科学知识带来重大影响。”

研究人员们表示,这种新的方法有望创造出新的材料,从而为电子、光电以及光子器件的构建带来新可能。这些器件将被广泛应用于通信、信息处理与能源等领域。

MIT用人工智能方式开发新材料,有望引领通信、能源技术变革

MIT用人工智能方式开发新材料,有望引领通信、能源技术变革

图:在对硅等晶体材料施加少量应变时,其性质会发生显著变化。例如,其能够由极高的电阻转换为像金属一样自由导电。

该团队研究了应变对于带隙的影响。所谓带隙,是指硅与钻石等半导体当中最为关键的电子特性的具体来源。利用神经网络算法,他们能够以极高的精度预测应变的不同量以及方向将给带隙带来怎样的影响。

带隙的“调谐”正是提高各类设备(例如硅太阳能电池)运行效率的一大关键工具,通过相关调整,我们能够使设计更匹配其面向的能源类型。举例来说,通过微调其带隙,将能够制造出阳光捕获效率完全一致、但厚度仅为原本千分之一的新型硅太阳能电池。Li介绍称,从理论上讲,这种新材料“甚至能够从半导体转化为金属。一旦证实了其在大规模生产产品中的可行性,那么这将带来极为广泛的应用场景。”

虽然在某些情况下,我们也可以通过其它方法引发类似的变化,例如将材料放置在强电场当中或者以化学方式进行改变,但这些变化往往会对材料的属性产生很多附带影响;相比之下,应变改变的影响就要小利多。Li解释道,例如静电场通常会干扰设备的运行,因为其会影响到电流通过目标材料的方式。然而,应变改变则不会产生这样的干扰。

钻石的潜力

作为一种半导体材料,钻石拥有着巨大的潜力。但与硅技术相比,其仍然处于起步阶段。Li指出,“这是一种属性相当极端的材料,拥有着相当高的载流子迁移率。”所谓载流子迁移率,指的是电流中的正负电荷载体在钻石当中自由移动的方式。因此,钻石很可能成为某些高频电子设备及电力型电子设备内器件的理想制造材料。

Li指出,通过某些方式,钻石的利用潜力也许会比硅高出10万倍。然而,其中也存在着不少局限性,包括没有人能够找到一种良好且可扩展的方法将金刚石层放置在大型基板当中。另外,该材料也很难“掺杂”或者引入其它原子,而这正是半导体制造中最为关键的部分。

通过将材料放置在可调节的框架当中,可以控制其应变改变的数量与方向,Dao表示“我们终于在改变其掺杂剂的属性方面,开拓出相当大的灵活空间。”

虽然这项研究主要关注应变对于材料带隙的影响,但Li介绍称“其中的方法可以推广”到其它方面。这不仅能够影响到电子特性,同时也将影响其它特性,例如光子与磁性行为。从当前应用于商业芯片的1%应变开始,该团队已经发现了诸多新型应用方向的发展空间。他们已经证明,在不发生断裂的前提之下,应变比例有望高达近10%。他指出,“当达到7%以上的应变之后,我们真的能够在材料之上实现很多改变。”

Li进一步补充称,“这种新的方法有可能会设计出前所未有的材料特性。然而,我们还需要继续探索才能弄清楚应该如何施加具体应变,以及如何扩大工艺以在芯片中的上亿个晶体管内进行应变,同时确保它们都能够按预期起效。”

斯坦福大学材料科学与工程学副教授Evan Reed(他并没有参加此项研究)表示,“这项极具创新性的工作展示出,通过以高弹性应变显著加速外来电子在普通材料内通过速度这一工程设计方向的潜力。这揭示出此类应变工程在自然界所将拥有的机遇与局限,且必将获得对重要技术抱有浓厚兴趣的研究人员的广泛关注。”

这项研究亦得到麻省理工学院Skoltech项目以及南洋理工大学的支持。

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