Applicare solo un po' di tensione a un pezzo di semiconduttore o altro materiale cristallino può deformare la disposizione ordinata degli atomi nella sua struttura abbastanza da causare cambiamenti drammatici nelle sue proprietà, come il modo in cui conduce l'elettricità, trasmette luce, o conduce il calore.

Ora, un team di ricercatori del MIT e in Russia e Singapore ha trovato il modo di utilizzare l'intelligenza artificiale per aiutare a prevedere e controllare questi cambiamenti, potenzialmente aprendo nuove strade di ricerca su materiali avanzati per futuri dispositivi ad alta tecnologia.

I risultati appaiono questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , in un articolo scritto dal professore del MIT di scienza e ingegneria nucleare e di scienza e ingegneria dei materiali Ju Li, Il ricercatore principale del MIT Ming Dao, e lo studente laureato del MIT Zhe Shi, con Evgeni Tsymbalov e Alexander Shapeev allo Skolkovo Institute of Science and Technology in Russia, e Subra Suresh, il Vannevar Bush Professor Emerito ed ex preside di ingegneria al MIT e attuale presidente della Nanyang Technological University di Singapore.

Già, sulla base di precedenti lavori al MIT, un certo grado di deformazione elastica è stato incorporato in alcuni chip di processori al silicio. Anche un cambiamento dell'1% nella struttura può in alcuni casi migliorare la velocità del dispositivo del 50%, permettendo agli elettroni di muoversi più velocemente attraverso il materiale.

Recenti ricerche di Suresh, Dao, e Yang Lu, un ex postdoc del MIT ora alla City University di Hong Kong, ha mostrato che anche il diamante, il materiale più forte e duro che si trovi in ​​natura, può essere allungato elasticamente fino al 9% senza cedimenti quando è sotto forma di aghi di dimensioni nanometriche. Li e Yang hanno dimostrato allo stesso modo che i fili di silicio su scala nanometrica possono essere allungati in modo puramente elastico di oltre il 15%. Queste scoperte hanno aperto nuove strade per esplorare come i dispositivi possono essere fabbricati con cambiamenti ancora più drammatici nelle proprietà dei materiali.

Ceppo su ordinazione

A differenza di altri modi per modificare le proprietà di un materiale, come il doping chimico, che producono un permanente, cambiamento statico, l'ingegneria della deformazione consente di modificare al volo le proprietà. "La deformazione è qualcosa che puoi attivare e disattivare dinamicamente, "Li dice.

Ma il potenziale dei materiali deformati è stato ostacolato dalla scoraggiante gamma di possibilità. La deformazione può essere applicata in sei modi diversi (in tre diverse dimensioni, ognuno dei quali può produrre deformazioni in entrata e in uscita o lateralmente), e con gradazioni di grado quasi infinite, quindi l'intera gamma di possibilità non è pratica da esplorare semplicemente per tentativi ed errori. "Cresce rapidamente fino a 100 milioni di calcoli se vogliamo mappare l'intero spazio di deformazione elastica, "Li dice.

È qui che viene in soccorso la nuova applicazione dei metodi di apprendimento automatico di questo team, fornendo un modo sistematico di esplorare le possibilità e di individuare la quantità e la direzione di deformazione appropriate per ottenere un determinato insieme di proprietà per uno scopo particolare. "Ora abbiamo questo metodo di altissima precisione" che riduce drasticamente la complessità dei calcoli necessari, Li dice.

"Questo lavoro è un'illustrazione di come i recenti progressi in campi apparentemente distanti come la fisica dei materiali, intelligenza artificiale, informatica, e l'apprendimento automatico possono essere uniti per far progredire la conoscenza scientifica che ha forti implicazioni per l'applicazione industriale, "Sicuro dice.

Il nuovo metodo, dicono i ricercatori, potrebbe aprire possibilità per la creazione di materiali sintonizzati con precisione per l'elettronica, optoelettronico, e dispositivi fotonici che potrebbero trovare usi per le comunicazioni, elaborazione delle informazioni, e applicazioni energetiche.

Il team ha studiato gli effetti della tensione sul bandgap, una proprietà elettronica chiave dei semiconduttori, sia in silicio che in diamante. Usando il loro algoritmo di rete neurale, sono stati in grado di prevedere con elevata precisione in che modo diverse quantità e orientamenti di deformazione avrebbero influenzato il bandgap.

La "sintonizzazione" di un bandgap può essere uno strumento chiave per migliorare l'efficienza di un dispositivo, come una cella solare al silicio, facendo in modo che corrisponda in modo più preciso al tipo di fonte di energia che è progettato per sfruttare. Mettendo a punto il suo bandgap, Per esempio, potrebbe essere possibile realizzare una cella solare al silicio che sia altrettanto efficace nel catturare la luce solare quanto le sue controparti, ma con uno spessore solo di un millesimo. In teoria, il materiale "può anche cambiare da un semiconduttore a un metallo, e avrebbe molte applicazioni, se questo è fattibile in un prodotto di serie, "Li dice.

Sebbene in alcuni casi sia possibile indurre cambiamenti simili con altri mezzi, come mettere il materiale in un forte campo elettrico o alterarlo chimicamente, questi cambiamenti tendono ad avere molti effetti collaterali sul comportamento del materiale, mentre cambiare il ceppo ha meno effetti collaterali. Per esempio, Li spiega, un campo elettrostatico spesso interferisce con il funzionamento del dispositivo perché influenza il modo in cui l'elettricità lo attraversa. La modifica del ceppo non produce tale interferenza.

Il potenziale del diamante

Il diamante ha un grande potenziale come materiale semiconduttore, anche se è ancora agli inizi rispetto alla tecnologia al silicio. "È un materiale estremo, con elevata mobilità del vettore, "Li dice, riferendosi al modo in cui i portatori negativi e positivi di corrente elettrica si muovono liberamente attraverso il diamante. A causa di ciò, il diamante potrebbe essere ideale per alcuni tipi di dispositivi elettronici ad alta frequenza e per l'elettronica di potenza.

Con alcune misure, Li dice, il diamante potrebbe potenzialmente eseguire 100, 000 volte meglio del silicio. Ma ha altri limiti, compreso il fatto che nessuno ha ancora trovato un modo valido e scalabile per mettere strati di diamante su un substrato di grandi dimensioni. Il materiale è anche difficile da "drogare, " o introdurre altri atomi in, una parte fondamentale della produzione di semiconduttori.

Montando il materiale in un telaio che può essere regolato per modificare la quantità e l'orientamento della deformazione, Dao dice, "possiamo avere una notevole flessibilità" nell'alterare il suo comportamento drogante.

Considerando che questo studio si è concentrato specificamente sugli effetti della deformazione sulla banda proibita dei materiali, "il metodo è generalizzabile" ad altri aspetti, che influenzano non solo le proprietà elettroniche ma anche altre proprietà come il comportamento fotonico e magnetico, Li dice. Dal ceppo dell'1% ora utilizzato nei chip commerciali, molte nuove applicazioni si aprono ora che questo team ha dimostrato che sono possibili ceppi di quasi il 10% senza fratturarsi. "Quando arrivi a una tensione superiore al 7%, cambi davvero molto nel materiale, " lui dice.

"Questo nuovo metodo potrebbe potenzialmente portare alla progettazione di proprietà dei materiali senza precedenti, " Dice Li. "Ma sarà necessario molto altro lavoro per capire come imporre la tensione e come scalare il processo per farlo su 100 milioni di transistor su un chip [e garantire che] nessuno di loro possa guastarsi".