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亚博:MIT用人工智能方式开发新材料,有望引领通信、能源技术变革

作者:Art   日期:2019-03-04
亚博:MIT用人工智能方式开发新材料,有望引领通信、能源技术变革
亚博报导:寻求报导

只要对一块半导体或其它晶体材料施加一点应变,即会使其结构中原子的有序摆放发作变形,然后引发其性质转化——例如导电、透光或许传导热量等等。

现在,麻省理工学院、俄罗斯以及新加坡一起组成的一个研讨小组,现已找到运用亚博人工智能以帮忙猜测并办理此种改动的办法,而这有望为未来的高科技设备拓荒前沿材料研讨。

此项研讨结果被宣布在上星期的《美国国家科学院院刊》上,由麻省理工学院核科学与工程学教授、材料科学与工程学教授Ju Li,麻省理工学院首席研讨科学家Ming Dao,以及麻省理工学院研讨生Zhe Shi一起编撰。别的,俄罗斯Skolkovo科学与技能研讨院的Evgenii Tsymbalov与Alexander Shapeev,Vannevar Bush退休教授、麻省理工学院前工程系主任兼现任新加坡南洋理工大学校长Subra Suresh亦参与其间。

根据麻省理工学院的一系列前期作业效果,他们现已可以在多种硅处理器芯片傍边完成必定程度的弹性应变。经过让电子以更高速度穿过材料,即便仅引发1%的全体结构改动,也可以在某些状况下将器材的运转速度进步50%。

最近,由前麻省理工学院博士后、现就职于香港城市大学的Suresh、Dao与Yang Lu进行的研讨标明,即便是自然界中最为巩固且硬度极高的钻石,在以纳米级针状办法存在时,亦可完成高达9%的弹性拉伸且不致结构失效。Li和Yang一起证明,纳米级硅线的纯弹性拉伸接受量乃至超越15%。这些发现开发了一种新的途径,使得咱们可以以史无前例的办法探究怎么明显改动材料的性质以制作更多器材类别。

应变改动摆放

化学掺杂等原有改动材料性质的办法,会导致材料发作永久性的静态改动。与之不同,应变工程答应研讨人员在其运转进程傍边改动特色。Li解说称,“应变的特色,在于咱们可以以动态办法敞开并封闭一些特色。”

不过,应变工程材料的开展潜力,亦遭到严峻阻止。应变可以以六种不同的办法具体完成(安身不种不同的维度,其间每一个维度都可以发作内/外或许侧向的应变),且其各自具有简直无限的度数等级,因而单纯依托重复实验来探究悉数或许性明显不切实际。Li表明,“假如咱们想要制作整个弹性应变空间,那么核算总量将快速增长至上亿等级。”

正由于如此,该团队才挑选以机器学习办法解决问题。他们期望借此树立一种系统性办法,然后探究或许性并找出恰当的应变量与方向,终究完成面向特定特色集的特定方针。Li指出,“现在咱们具有了这种精度十分高的办法”,因而大大降低了需求面临的核算复杂性水平。

Suresh也解说称,“这项作业阐明,材料物理学、亚博人工智能、核算以及机器学习这些看似互相毫无相关的范畴,依然可以以特别的办法给支撑工业出产运用的科学知识带来严重影响。”

研讨人员们表明,这种新的办法有望发明出新的材料,然后为电子、光电以及光子器材的构建带来新或许。这些器材将被广泛运用于通讯、信息处理与动力等范畴。

图:在对硅等晶体材料施加少数应变时,其性质会发作明显改动。例如,其可以由极高的电阻转化为像金属相同自在导电。

该团队研讨了应变关于带隙的影响。所谓带隙,是指硅与钻石等半导体傍边最为要害的电子特性的具体来历。运用神经网络算法,他们可以以极高的精度猜测应变的不同量以及方向将给带隙带来怎样的影响。

带隙的“调谐”正是进步各类设备(例如硅太阳能电池)运转功率的一大要害东西,经过相关调整,咱们可以使规划更匹配其面向的动力类型。举例来说,经过微调其带隙,将可以制作出阳光捕获功率完全一致、但厚度仅为本来千分之一的新式硅太阳能电池。Li介绍称,从理论上讲,这种新材料“乃至可以从半导体转化为金属。一旦证明了其在大规模出产产品中的可行性,那么这将带来极为广泛的运用场景。”

尽管在某些状况下,咱们也可以经过其它办法引发相似的改动,例如将材料放置在强电场傍边或许以化学办法进行改动,但这些改动往往会对材料的特色发作许多顺便影响;比较之下,应变改动的影响就要小利多。Li解说道,例如静电场通常会搅扰设备的运转,由于其会影响到电流经过方针材料的办法。但是,应变改动则不会发作这样的搅扰。

钻石的潜力

作为一种半导体材料,钻石具有着巨大的潜力。但与硅技能比较,其依然处于起步阶段。Li指出,“这是一种特色适当极点的材料,具有着适当高的载流子迁移率。”所谓载流子迁移率,指的是电流中的正负电荷载体在钻石傍边自在移动的办法。因而,钻石很或许成为某些高频电子设备及电力型电子设备内器材的抱负制作材料。

Li指出,经过某些办法,钻石的运用潜力或许会比硅高出10万倍。但是,其间也存在着不少限制性,包含没有人可以找到一种杰出且可扩展的办法将金刚石层放置在大型基板傍边。别的,该材料也很难“掺杂”或许引进其它原子,而这正是半导体制作中最为要害的部分。

经过将材料放置在可调理的结构傍边,可以操控其应变改动的数量与方向,Dao表明“咱们总算在改动其掺杂剂的特色方面,开辟出适当大的灵敏空间。”

尽管这项研讨首要重视应变关于材料带隙的影响,但Li介绍称“其间的办法可以推行”到其它方面。这不仅可以影响到电子特性,一起也将影响其它特性,例如光子与磁性行为。从当时运用于商业芯片的1%应变开端,该团队现已发现了许多新式运用方向的开展空间。他们现已证明,在不发作开裂的条件之下,应变份额有望高达近10%。他指出,“当到达7%以上的应变之后,咱们真的可以在材料之上完成许多改动。”

Li进一步弥补称,“这种新的办法有或许会规划出史无前例的材料特性。但是,咱们还需求继续探究才干弄清楚应该怎么施加具体应变,以及怎么扩展工艺以在芯片中的上亿个晶体管内进行应变,一起确保它们都可以按预期起效。”

斯坦福大学材料科学与工程学副教授Evan Reed(他并没有参与此项研讨)表明,“这项极具立异性的作业展示出,经过以高弹性应变明显加快外来电子在一般材料内经过速度这一工程规划方向的潜力。这提醒出此类应变工程在自然界所将具有的机会与限制,且必将取得对重要技能抱有浓厚兴趣的研讨人员的广泛重视。”

这项研讨亦得到麻省理工学院Skoltech项目以及南洋理工大学的支撑。

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