只要對一塊半導體或其它晶體材料施加一點應變，即會使其結構中原子的有序排列發(fā)生變形，從而引發(fā)其性質轉換——例如導電、透光或者傳導熱量等等。
如今，麻省理工學院、俄羅斯以及新加坡共同組建的一個研究小組，已經(jīng)找到利用人工智能以協(xié)助預測并管理此種變化的方法，而這有望為未來的高科技設備開辟前沿材料研究。
此項研究結果被發(fā)表在上周的《美國國家科學院院刊》上，由麻省理工學院核科學與工程學教授、材料科學與工程學教授Ju Li，麻省理工學院首席研究科學家Ming Dao，以及麻省理工學院研究生Zhe Shi共同撰寫。另外，俄羅斯Skolkovo科學與技術研究院的Evgenii Tsymbalov與Alexander Shapeev，Vannevar Bush退休教授、麻省理工學院前工程系主任兼現(xiàn)任新加坡南洋理工大學校長Subra Suresh亦參與其中。
基于麻省理工學院的一系列早期工作成果，他們已經(jīng)能夠在多種硅處理器芯片當中實現(xiàn)一定程度的彈性應變。通過讓電子以更高速度穿過材料，即使僅引發(fā)1％的整體結構變化，也可以在某些情況下將器件的運行速度提高50％。
最近，由前麻省理工學院博士后、現(xiàn)就職于香港城市大學的Suresh、Dao與Yang Lu進行的研究表明，即使是自然界中最為堅固且硬度極高的鉆石，在以納米級針狀形式存在時，亦可實現(xiàn)高達9％的彈性拉伸且不致結構失效。Li和Yang同時證明，納米級硅線的純彈性拉伸承受量甚至超過15％。這些發(fā)現(xiàn)開發(fā)了一種新的途徑，使得我們能夠以前所未有的方法探索如何顯著改變材料的性質以制造更多器件類別。
應變改變排列
化學摻雜等原有改變材料性質的方法，會導致材料產(chǎn)生永久性的靜態(tài)變化。與之不同，應變工程允許研究人員在其運行過程當中變更屬性。Li解釋稱，“應變的特點，在于我們能夠以動態(tài)方式開啟并關閉一些屬性?！?/p>
不過，應變工程材料的發(fā)展?jié)摿?，亦受到嚴重阻礙。應變能夠以六種不同的方式具體實現(xiàn)（立足不種不同的維度，其中每一個維度都能夠產(chǎn)生內／外或者側向的應變），且其各自擁有幾乎無限的度數(shù)級別，因此單純依靠反復試驗來探索全部可能性顯然不切實際。Li表示，“如果我們想要繪制整個彈性應變空間，那么計算總量將快速增長至上億級別?！?/p>
正因為如此，該團隊才選擇以機器學習方法解決問題。他們希望借此建立一種系統(tǒng)性方式，從而探索可能性并找出適當?shù)膽兞颗c方向，最終實現(xiàn)面向特定屬性集的特定目標。Li指出，“現(xiàn)在我們擁有了這種精度非常高的方法”，因此大大降低了需要面對的計算復雜性水平。
Suresh也解釋稱，“這項工作說明，材料物理學、人工智能、計算以及機器學習這些看似彼此毫無關聯(lián)的領域，仍然能夠以特殊的方式給支撐工業(yè)生產(chǎn)應用的科學知識帶來重大影響?！?/p>
研究人員們表示，這種新的方法有望創(chuàng)造出新的材料，從而為電子、光電以及光子器件的構建帶來新可能。這些器件將被廣泛應用于通信、信息處理與能源等領域。
圖：在對硅等晶體材料施加少量應變時，其性質會發(fā)生顯著變化。例如，其能夠由極高的電阻轉換為像金屬一樣自由導電。
該團隊研究了應變對于帶隙的影響。所謂帶隙，是指硅與鉆石等半導體當中最為關鍵的電子特性的具體來源。利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法，他們能夠以極高的精度預測應變的不同量以及方向將給帶隙帶來怎樣的影響。
帶隙的“調諧”正是提高各類設備（例如硅太陽能電池）運行效率的一大關鍵工具，通過相關調整，我們能夠使設計更匹配其面向的能源類型。舉例來說，通過微調其帶隙，將能夠制造出陽光捕獲效率完全一致、但厚度僅為原本千分之一的新型硅太陽能電池。Li介紹稱，從理論上講，這種新材料“甚至能夠從半導體轉化為金屬。一旦證實了其在大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品中的可行性，那么這將帶來極為廣泛的應用場景。”
雖然在某些情況下，我們也可以通過其它方法引發(fā)類似的變化，例如將材料放置在強電場當中或者以化學方式進行改變，但這些變化往往會對材料的屬性產(chǎn)生很多附帶影響；相比之下，應變改變的影響就要小利多。Li解釋道，例如靜電場通常會干擾設備的運行，因為其會影響到電流通過目標材料的方式。然而，應變改變則不會產(chǎn)生這樣的干擾。
鉆石的潛力
作為一種半導體材料，鉆石擁有著巨大的潛力。但與硅技術相比，其仍然處于起步階段。Li指出，“這是一種屬性相當極端的材料，擁有著相當高的載流子遷移率?！彼^載流子遷移率，指的是電流中的正負電荷載體在鉆石當中自由移動的方式。因此，鉆石很可能成為某些高頻電子設備及電力型電子設備內器件的理想制造材料。
Li指出，通過某些方式，鉆石的利用潛力也許會比硅高出10萬倍。然而，其中也存在著不少局限性，包括沒有人能夠找到一種良好且可擴展的方法將金剛石層放置在大型基板當中。另外，該材料也很難“摻雜”或者引入其它原子，而這正是半導體制造中最為關鍵的部分。
通過將材料放置在可調節(jié)的框架當中，可以控制其應變改變的數(shù)量與方向，Dao表示“我們終于在改變其摻雜劑的屬性方面，開拓出相當大的靈活空間?！?/p>
雖然這項研究主要關注應變對于材料帶隙的影響，但Li介紹稱“其中的方法可以推廣”到其它方面。這不僅能夠影響到電子特性，同時也將影響其它特性，例如光子與磁性行為。從當前應用于商業(yè)芯片的1％應變開始，該團隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了諸多新型應用方向的發(fā)展空間。他們已經(jīng)證明，在不發(fā)生斷裂的前提之下，應變比例有望高達近10％。他指出，“當達到7％以上的應變之后，我們真的能夠在材料之上實現(xiàn)很多改變。”
Li進一步補充稱，“這種新的方法有可能會設計出前所未有的材料特性。然而，我們還需要繼續(xù)探索才能弄清楚應該如何施加具體應變，以及如何擴大工藝以在芯片中的上億個晶體管內進行應變，同時確保它們都能夠按預期起效?！?/p>
斯坦福大學材料科學與工程學副教授Evan Reed（他并沒有參加此項研究）表示，“這項極具創(chuàng)新性的工作展示出，通過以高彈性應變顯著加速外來電子在普通材料內通過速度這一工程設計方向的潛力。這揭示出此類應變工程在自然界所將擁有的機遇與局限，且必將獲得對重要技術抱有濃厚興趣的研究人員的廣泛關注。”
這項研究亦得到麻省理工學院Skoltech項目以及南洋理工大學的支持。
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