利用人工智能来设计材料的性能

只要在半导体或其他晶体材料上施加一点拉力，就能使其结构中原子的有序排列发生变形，从而使其性质发生巨大变化，比如导电、透光或导热的方式。

现在，麻省理工学院、俄罗斯和新加坡的一组研究人员已经找到了使用人工智能来帮助预测和控制这些变化的方法，这可能为未来高科技设备的先进材料研究开辟了新的途径。

这一发现发表在一篇论文中，作者是麻省理工学院核科学与工程、材料科学与工程教授Ju Li、麻省理工学院首席研究科学家Ming Dao、麻省理工学院研究生Shi哲、俄罗斯Skolkovo科学技术研究所的Evgeni Tsymbalov和Alexander Shapeev，以及Vannevar Bush名誉教授、麻省理工学院前工程学院院长、新加坡南洋理工大学现任校长Subra Suresh。

基于麻省理工学院早期的工作，某种程度的弹性应变已经被整合到一些硅处理器芯片中。在某些情况下，即使是结构上1%的改变，也能使电子更快地穿过材料，从而使设备的速度提高50%。

苏雷什、道和杨璐(前麻省理工学院博士后，现香港城市大学)最近的研究表明，即使是自然界中最强、最硬的材料钻石，当它以纳米针的形式出现时，也可以弹性拉伸9%而不会损坏。李和杨同样证明了纳米级硅线可以纯弹性拉伸15%以上。这些发现为探索如何在材料特性发生更大变化的情况下制造设备开辟了新的途径。

定制菌株

不像其他改变材料特性的方法，比如化学掺杂，会产生永久的、静态的变化，应变工程允许在飞行中改变材料的特性。“压力是一种你可以动态打开和关闭的东西，”李说。

应变工程材料的潜力一直受到令人生畏的可能性范围的阻碍。应变可以以六种不同的方式施加(在三个不同的维度上，每一个都可以产生内外或侧向的应变)，并且具有几乎无限的程度梯度，因此，仅仅通过试验和错误来探索所有的可能性是不切实际的。“如果我们想要绘制出整个弹性应变空间，它很快就会增长到1亿次计算，”李说。

这就是该团队新颖的机器学习方法应用的地方，它提供了一种系统的方法来探索可能性，并锁定适当的应变量和方向，以实现特定目的的给定属性集。“现在我们有了这种非常高精度的方法”，大大降低了所需计算的复杂性，李说。

苏雷什说:“这项工作说明了材料物理学、人工智能、计算和机器学习等看似遥远的领域的最新进展是如何汇集在一起，推进对行业应用具有重大影响的科学知识的。”

研究人员说，这种新方法可以为制造精确调谐的电子、光电和光子器件提供可能性，这些器件可以用于通信、信息处理和能源应用。

该团队研究了应变对硅和金刚石中带隙的影响，带隙是半导体的关键电子特性。利用他们的神经网络算法，他们能够高精度地预测不同数量和方向的应变将如何影响带隙。

带隙的“调谐”是提高器件效率的关键工具，例如硅太阳能电池，通过使其更精确地匹配其设计利用的能源类型。例如，通过对其带隙进行微调，就有可能制造出一种硅太阳能电池，这种电池在捕捉阳光方面与同类电池一样有效，但厚度只有硅太阳能电池的千分之一。理论上，这种材料“甚至可以从半导体变成金属，如果在大规模生产的产品中可行，那将有很多应用，”李说。

虽然在某些情况下可以通过其他方法引起类似的变化，例如将材料置于强电场中或对其进行化学改变，但这些变化往往会对材料的行为产生许多副作用，而改变应变的副作用则较少。例如，李解释说，静电场经常干扰设备的操作，因为它影响了电流流过它的方式。改变应变不会产生这种干扰。

钻石的潜力

金刚石作为半导体材料具有巨大的潜力，尽管与硅技术相比，它仍处于起步阶段。“这是一种极端的材料，具有高载流子迁移率，”李说，他指的是电流的负极和正极载流子在钻石中自由移动的方式。正因为如此，钻石可能是某些高频电子设备和电力电子设备的理想材料。

李说，通过一些措施，金刚石的性能可能比硅好10万倍。但它也有其他的局限性，包括还没有人想出一个好的、可扩展的方法来把钻石层放在一个大的基板上。这种材料也很难“掺杂”，或引入其他原子，这是半导体制造的关键部分。

Dao说，通过将材料安装在一个可以调整应变量和方向的框架中，“我们可以有相当大的灵活性”来改变其掺杂行为。

李说，虽然这项研究专门关注应变对材料带隙的影响，但“该方法可推广”到其他方面，不仅影响电子特性，还影响其他特性，如光子和磁性行为。从目前用于商业芯片的1%的应变开始，该团队已经证明了近10%的应变在不破裂的情况下是可能的，现在开辟了许多新的应用。“当压力超过7%时，材料真的会发生很大变化，”他说。

“这种新方法可能会带来前所未有的材料性能设计，”李说。“但要弄清楚如何施加压力，以及如何扩大工艺规模，在芯片上实现1亿个晶体管，并确保它们都不会失效，还需要做更多的工作。”

麻省理工学院(MIT)

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- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程能源和能源新闻。

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