Теперь команда исследователей из Массачусетского технологического института, а также из России и Сингапура нашла способы использования искусственного интеллекта для прогнозирования и контроля этих изменений, потенциально открывая новые возможности для исследований передовых материалов для будущих высокотехнологичных устройств.
Результаты появляются на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, в статье, написанной профессором Массачусетского технологического института ядерной науки и техники, а также материаловедения и инженерии Цзюй Ли, главным научным сотрудником Массачусетского технологического института Мин Дао и аспирантом Массачусетского технологического института Чжэ Ши. с Евгением Цымбаловым и Александром Шапаевым из Сколковского института науки и технологий в России и Субра Суреш, почетным профессором Ванневара Буша, бывшим деканом инженерного факультета Массачусетского технологического института и нынешним президентом Технологического университета Наньян в Сингапуре.
Уже на основании более ранних работ в Массачусетском технологическом институте в некоторые кремниевые процессорные чипы была заложена некоторая степень упругой деформации. Даже изменение структуры на 1 процент может в некоторых случаях повысить скорость устройства на 50 процентов, позволяя электронам быстрее перемещаться через материал.
Недавнее исследование Суреша, Дао и Ян Лу, бывшего постдока Массачусетского технологического института, ныне работающего в Городском университете Гонконга, показало, что даже алмаз, самый прочный и твердый материал, встречающийся в природе, может без сбоев упруго растягиваться на целых 9 процентов, когда это в виде игл нанометрового размера.
Ли и Янг аналогичным образом продемонстрировали, что наноразмерные кремниевые нити можно чисто упруго растянуть более чем на 15 процентов. Эти открытия открыли новые возможности для изучения того, как можно изготавливать устройства с еще более значительными изменениями свойств материалов.
Штамм на заказ
В отличие от других способов изменения свойств материала, таких как химическое легирование, которые вызывают постоянное статическое изменение, инженерия деформации позволяет изменять свойства на лету. «Напряжение – это то, что можно динамически включать и выключать», – говорит Ли.
Но потенциал материалов с деформационной инженерией ограничен пугающим диапазоном возможностей.
Деформация может применяться любым из шести различных способов (в трех разных измерениях, каждое из которых может вызывать деформацию взад и вперед или в сторону) и с почти бесконечными градациями степени, поэтому весь спектр возможностей непрактично исследовать. просто методом проб и ошибок. «Если мы хотим отобразить все пространство упругих деформаций, количество вычислений быстро вырастет до 100 миллионов», – говорит Ли.
Вот где на помощь приходит новое применение этой командой методов машинного обучения, обеспечивающее систематический способ изучения возможностей и определения соответствующей величины и направления нагрузки для достижения заданного набора свойств для конкретной цели. «Теперь у нас есть этот высокоточный метод», который резко снижает сложность необходимых вычислений, – говорит Ли.
«Эта работа является иллюстрацией того, как недавние достижения в, казалось бы, далеких областях, таких как физика материалов, искусственный интеллект, вычисления и машинное обучение, могут быть объединены для развития научных знаний, которые имеют серьезные последствия для промышленного применения», – говорит Суреш.
По словам исследователей, новый метод может открыть возможности для создания материалов, точно настроенных для электронных, оптоэлектронных и фотонных устройств, которые могут найти применение для связи, обработки информации и энергетики.
Команда изучила влияние деформации на ширину запрещенной зоны, ключевое электронное свойство полупроводников, как в кремнии, так и в алмазе.
Используя свой алгоритм нейронной сети, они смогли с высокой точностью предсказать, как различные величины и ориентации деформации повлияют на ширину запрещенной зоны.
«Настройка» запрещенной зоны может быть ключевым инструментом для повышения эффективности устройства, такого как кремниевый солнечный элемент, за счет более точного соответствия его типу источника энергии, для которого он предназначен. Например, путем точной настройки ширины запрещенной зоны можно создать кремниевый солнечный элемент, который так же эффективно улавливает солнечный свет, как и его аналоги, но имеет толщину всего в одну тысячную. Теоретически материал «может даже превратиться из полупроводника в металл, и это может иметь множество применений, если это возможно в массовом производстве», – говорит Ли.
Хотя в некоторых случаях можно вызвать аналогичные изменения другими способами, такими как помещение материала в сильное электрическое поле или его химическое изменение, эти изменения, как правило, имеют много побочных эффектов на поведение материала, тогда как изменение деформации имеет меньше таких сторон. эффекты. Например, объясняет Ли, электростатическое поле часто мешает работе устройства, потому что оно влияет на то, как через него проходит электричество.
Изменение деформации не вызывает таких помех.
Потенциал алмаза
Алмаз имеет большой потенциал в качестве полупроводникового материала, хотя по сравнению с кремниевой технологией он все еще находится в зачаточном состоянии. «Это экстремальный материал с высокой подвижностью носителей», – говорит Ли, имея в виду то, как отрицательные и положительные носители электрического тока свободно перемещаются через алмаз. Из-за этого алмаз может быть идеальным для некоторых видов высокочастотных электронных устройств и для силовой электроники.
По некоторым меркам, по словам Ли, алмаз потенциально может работать в 100000 раз лучше, чем кремний. Но у него есть и другие ограничения, в том числе тот факт, что еще никто не придумал хороший и масштабируемый способ нанесения алмазных слоев на большую подложку.
Материал также трудно «легировать» или вводить в него другие атомы, что является ключевой частью производства полупроводников.
По словам Дао, установив материал в раму, которую можно отрегулировать для изменения величины и ориентации деформации, «мы можем иметь значительную гибкость» в изменении его легирующего свойства.
В то время как это исследование было сосредоточено конкретно на влиянии деформации на ширину запрещенной зоны материалов, «метод можно обобщить» на другие аспекты, которые влияют не только на электронные свойства, но и на другие свойства, такие как фотонные и магнитные свойства, говорит Ли.
Из-за 1-процентной деформации, которая сейчас используется в коммерческих микросхемах, теперь открывается много новых приложений, поскольку эта команда показала, что деформации почти 10 процентов возможны без разрушения. «Когда вы увеличиваете нагрузку более чем на 7 процентов, вы действительно сильно меняете материал», – говорит он.
«Этот новый метод потенциально может привести к созданию материалов с беспрецедентными свойствами», – говорит Ли. "Но потребуется еще много работы, чтобы выяснить, как создать нагрузку и как масштабировать процесс, чтобы сделать это на 100 миллионах транзисторов на микросхеме [и гарантировать, что] ни один из них не может выйти из строя."
Работа поддержана программой MIT-Сколтех и Наньянским технологическим университетом.