Att bara anstränga en bit av halvledare eller annat kristallint material kan deformera det ordnade arrangemanget av atomer i dess struktur tillräckligt för att orsaka dramatiska förändringar i dess egenskaper, till exempel hur den leder elektricitet, sänder ljus, eller leder värme.

Nu, ett team av forskare vid MIT och i Ryssland och Singapore har hittat sätt att använda artificiell intelligens för att förutsäga och kontrollera dessa förändringar, potentiellt öppna upp nya vägar för forskning om avancerade material för framtida högteknologiska enheter.

Fynden visas denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , i en artikel författad av MIT-professorn i kärnvetenskap och teknik och i materialvetenskap och teknik Ju Li, MIT:s huvudforskare Ming Dao, och MIT doktorand Zhe Shi, med Evgeni Tsymbalov och Alexander Shapeev vid Skolkovo Institute of Science and Technology i Ryssland, och Subra Suresh, Vannevar Bush professor emeritus och tidigare dekanus för ingenjörsvetenskap vid MIT och nuvarande president för Nanyang Technological University i Singapore.

Redan, baserat på tidigare arbete vid MIT, en viss grad av elastisk töjning har införlivats i vissa kiselprocessorchips. Även en förändring på 1 procent i strukturen kan i vissa fall förbättra enhetens hastighet med 50 procent, genom att låta elektroner röra sig snabbare genom materialet.

Ny forskning av Suresh, Dao, och Yang Lu, en före detta MIT postdoc nu vid City University of Hong Kong, visade att även diamant, det starkaste och hårdaste materialet som finns i naturen, kan sträckas elastiskt med så mycket som 9 procent utan fel när det är i form av nanometerstora nålar. Li och Yang visade på liknande sätt att trådar av kisel i nanoskala kan sträckas rent elastiskt med mer än 15 procent. Dessa upptäckter har öppnat nya vägar för att utforska hur enheter kan tillverkas med ännu mer dramatiska förändringar i materialens egenskaper.

Sila på beställning

Till skillnad från andra sätt att ändra ett material egenskaper, som kemisk dopning, som producerar en permanent, statisk förändring, strain engineering gör att egenskaper kan ändras i farten. "Strain är något du kan slå på och av dynamiskt, " säger Li.

Men potentialen hos stamkonstruerade material har hämmats av det skrämmande utbudet av möjligheter. Töjning kan appliceras på vilket som helst av sex olika sätt (i tre olika dimensioner, som var och en kan ge spänning in och ut eller i sidled), och med nästan oändliga gradgrader, så det är opraktiskt att utforska hela spektrumet av möjligheter helt enkelt genom att trial and error. "Det växer snabbt till 100 miljoner beräkningar om vi vill kartlägga hela det elastiska töjningsutrymmet, " säger Li.

Det är där detta teams nya tillämpning av metoder för maskininlärning kommer till undsättning, tillhandahålla ett systematiskt sätt att utforska möjligheterna och hitta rätt mängd och riktning av spänningen för att uppnå en given uppsättning egenskaper för ett visst syfte. "Nu har vi den här metoden med mycket hög noggrannhet" som drastiskt minskar komplexiteten i de beräkningar som behövs, säger Li.

"Detta arbete är en illustration av hur de senaste framstegen inom till synes avlägsna områden som materialfysik, artificiell intelligens, datoranvändning, och maskininlärning kan sammanföras för att främja vetenskaplig kunskap som har starka konsekvenser för industritillämpningar, " Säger Suresh.

Den nya metoden, forskarna säger, skulle kunna öppna möjligheter för att skapa material just avstämt för elektroniska, optoelektroniska, och fotoniska enheter som kan användas för kommunikation, informationsbearbetning, och energitillämpningar.

Teamet studerade effekterna av belastning på bandgapet, en viktig elektronisk egenskap hos halvledare, i både kisel och diamant. Genom att använda deras neurala nätverksalgoritm, de kunde med hög noggrannhet förutsäga hur olika mängder och orienteringar av töjningen skulle påverka bandgapet.

"Tuning" av ett bandgap kan vara ett nyckelverktyg för att förbättra effektiviteten hos en enhet, som en solcell av kisel, genom att få den att mer exakt matcha den typ av energikälla som den är designad för att utnyttja. Genom att finjustera bandgapet, till exempel, det kan vara möjligt att göra en kiselsolcell som är lika effektiv på att fånga solljus som sina motsvarigheter men som bara är en tusendel så tjock. I teorin, materialet "kan till och med förändras från en halvledare till en metall, och det skulle ha många tillämpningar, om det är möjligt i en massproducerad produkt, " säger Li.

Även om det i vissa fall är möjligt att framkalla liknande förändringar på andra sätt, som att placera materialet i ett starkt elektriskt fält eller kemiskt förändra det, dessa förändringar tenderar att ha många biverkningar på materialets beteende, medan byte av stam har färre sådana biverkningar. Till exempel, Li förklarar, ett elektrostatiskt fält stör ofta enhetens funktion eftersom det påverkar hur elektricitet strömmar genom den. Att ändra påkänningen ger ingen sådan störning.

Diamantens potential

Diamant har stor potential som halvledarmaterial, även om det fortfarande är i sin linda jämfört med kiselteknik. "Det är ett extremt material, med hög transportörsrörlighet, "Li säger, hänvisar till hur negativa och positiva bärare av elektrisk ström rör sig fritt genom diamant. På grund av det, diamant kan vara idealiskt för vissa typer av högfrekventa elektroniska enheter och för kraftelektronik.

Genom vissa åtgärder, Li säger, diamant skulle potentiellt kunna prestera 100, 000 gånger bättre än kisel. Men det har andra begränsningar, inklusive det faktum att ingen ännu har kommit på ett bra och skalbart sätt att lägga diamantlager på ett stort substrat. Materialet är också svårt att "dopa, "eller införa andra atomer i, en viktig del av halvledartillverkning.

Genom att montera materialet i en ram som kan justeras för att ändra mängden och orienteringen av belastningen, Dao säger, "vi kan ha stor flexibilitet" när det gäller att ändra dess dopningsbeteende.

Medan denna studie fokuserade specifikt på effekterna av belastning på materialens bandgap, "metoden är generaliserbar" till andra aspekter, som påverkar inte bara elektroniska egenskaper utan även andra egenskaper såsom fotoniskt och magnetiskt beteende, säger Li. Från den 1-procentiga stam som nu används i kommersiella chips, många nya applikationer öppnas nu när detta team har visat att stammar på nästan 10 procent är möjliga utan att spricka. "När du kommer till mer än 7 procent belastning, du förändrar verkligen mycket i materialet, " han säger.

"Denna nya metod kan potentiellt leda till utformning av oöverträffade materialegenskaper, " säger Li. "Men mycket ytterligare arbete kommer att behövas för att ta reda på hur man utövar påfrestningen och hur man skalar upp processen för att göra det på 100 miljoner transistorer på ett chip [och säkerställa att] ingen av dem kan misslyckas."