اعمال مقدار کمی فشار به یک قطعه نیمه رسانا یا مواد کریستالی دیگر می تواند ترتیب مرتب اتم ها را در ساختار آن تغییر شکل دهد و باعث ایجاد تغییرات چشمگیر در خواص آن شود ، از جمله روش برق ، انتقال نور ، یا گرما را انجام می دهد.
اکنون ، تیمی از محققان MIT و روسیه و سنگاپور روشهایی برای استفاده از هوش مصنوعی برای پیش بینی و کنترل این تغییرات پیدا کرده اند ، به طور بالقوه راه های جدیدی را برای تحقیقات در مورد مواد پیشرفته باز می کنند. برای دستگاه های آینده باز می کنند.
این یافته ها این هفته در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ، در مقاله ای نوشته شده توسط استاد دانشگاه MIT از علوم و مهندسی هسته ای و علوم مواد ظاهر می شود جی لی ، دانشمند اصلی تحقیقات MIT مینگ دائو ، و دانشجوی فارغ التحصیل MIT ، ژه شی ، منتشر شده است. با Evgeni Tsymbalov و الكساندر Shapeev در انستیتوی علوم و فناوری Skolkovo در روسیه ، و Subra Suresh ، استاد وانیوار بوش استاد امریتوس و معاون سابق مهندسی در MIT و رئیس جمهور فعلی دانشگاه فنی نانیانگ در سنگاپور.
در حال حاضر ، بر اساس کار قبلی در MIT ، مقداری از فشار الاستیک در برخی تراشه های پردازنده سیلیکون گنجانیده شده است. حتی تغییر 1 درصدی ساختار در بعضی موارد می تواند سرعت دستگاه را 50 درصد بهبود بخشد ، با این کار اجازه می دهد تا الکترون ها بتوانند سریعتر از داخل مواد حرکت کنند.
تحقیقات اخیر Suresh ، Dao و Yang Lu ، سابق سابق MIT که هم اکنون در دانشگاه سیتی در هنگ کنگ انجام شده است ، نشان داد که حتی الماس ، قویترین و سخت ترین ماده موجود در طبیعت ، می تواند به راحتی تا 9 درصد بدون کشش کشیده شود. این به شکل سوزن هایی با اندازه نانومتر است. لی و یانگ به طور مشابه نشان دادند كه سیمهای نانو مقیاس سیلیكون بیش از 15 درصد بطور الاستیک كشیده می شوند. این اکتشافات راههای جدیدی را برای کشف چگونگی ساخت دستگاهها با تغییرات حتی چشمگیر در خصوصیات مواد ایجاد کرده است.
فشار ساخته شده به سفارش
بر خلاف روش های دیگر برای تغییر خواص مواد مانند دوپینگ شیمیایی ، که باعث تغییر دائمی و استاتیک می شود ، مهندسی کرنش اجازه می دهد تا خواص در پرواز تغییر یابد. لی می گوید: "کرنش چیزی است که می توانید بصورت دینامیکی روشن و خاموش کنید."
اما پتانسیل مواد کرنش شده توسط دامنه طوفان آور احتمالات مانع شده است. کرنش را می توان به هر یک از شش روش مختلف (در سه بعد مختلف ، که هر یک از آنها می تواند کرنش درون و برون یا کناره) ایجاد کند و با درجه های تقریباً نامتناهی از درجه ، بنابراین دامنه کامل از امکانات غیر عملی برای کشف است. به سادگی با آزمایش و خطا. لی می گوید: "اگر بخواهیم کل فضای کرنش الاستیک را مشخص کنیم ، به سرعت 100 میلیون محاسبه رشد می کند."
در اینجاست که برنامه جدید این تیم از روشهای یادگیری ماشینی به نجات می رسد و روشی منظم برای کاوش در مورد احتمالات و قرارگیری در میزان و جهت مناسب کرنش برای دستیابی به مجموعه مشخصی از خواص برای یک هدف خاص فراهم می کند. لی می گوید: "اکنون ما این روش بسیار دقیق را داریم" که پیچیدگی محاسبات مورد نیاز را به شدت کاهش می دهد.
سورش می گوید: "این اثر نمادی از چگونگی پیشرفت های اخیر در زمینه های به ظاهر دوردست مانند فیزیک مواد ، هوش مصنوعی ، محاسبات و یادگیری ماشینی است تا بتوانیم دانش علمی که پیامدهای محکمی در کاربرد صنعت دارد ، پیش برد."
محققان می گویند ، روش جدید می تواند امکاناتی برای ایجاد مواد تنظیم شده دقیقاً برای دستگاه های الکترونیکی ، نوری و فوتونیک فراهم کند که می تواند کاربردهایی برای ارتباطات ، پردازش اطلاعات و کاربردهای انرژی پیدا کند.
این تیم تأثیر کرنش را روی باند گپ ، یک ویژگی الکترونیکی کلیدی نیمه هادی ها ، در هر دو سیلیکون و الماس بررسی کردند. آنها با استفاده از الگوریتم شبکه عصبی خود توانستند با دقت بالا پیش بینی کنند که چگونه مقادیر مختلف و جهت گیری کرنش بر پهنای باند تأثیر می گذارد.
"تنظیم" یک باند گپ می تواند یک وسیله اصلی برای بهبود کارآیی دستگاه مانند سلول خورشیدی سیلیکون باشد ، تا با استفاده از آن بتواند دقیقاً با نوع منبع انرژی که برای مهار استفاده می شود مطابقت داشته باشد. به عنوان مثال ، با تنظیم دقیق باندهای خود ، می توانید یک سلول خورشیدی سیلیکونی درست تهیه کنید که در گرفتن نور خورشید به اندازه همتایان خود مؤثر باشد ، اما ضخامت آن یک هزارم است. از نظر تئوری ، مواد "حتی می توانند از نیمه هادی به فلز تغییر کنند ، و این کار در صورتی که در یک محصول تولید انبوه انجام شود ، کاربردهای بسیاری خواهد داشت."
در حالی که ممکن است در برخی موارد تحریک تغییرات مشابه با روش های دیگر مانند قرار دادن مواد در یک میدان الکتریکی قوی و یا تغییر شیمیایی در آن ، این تغییرات تمایل به ایجاد عوارض جانبی زیادی در رفتار ماده دارند ، در حالی که تغییر کرنش چنین سمت کمتری دارد. اثرات به عنوان مثال ، لی توضیح می دهد ، یک میدان الکترواستاتیک اغلب در عملکرد دستگاه تداخل دارد زیرا این امر بر نحوه جریان برق از طریق آن تأثیر می گذارد. تغییر کرنش چنین دخالتی ایجاد نمی کند.
پتانسیل الماس
الماس به عنوان یک ماده نیمه هادی از پتانسیل بسیار خوبی برخوردار است ، اگرچه در مراحل ابتدایی خود در مقایسه با فناوری سیلیکون است. لی با اشاره به اینکه حامل منفی و مثبت جریان الکتریکی آزادانه از طریق الماس حرکت می کند ، می گوید: "این ماده بسیار افراطی است و دارای تحرک بالای حامل است. به همین دلیل ، الماس می تواند برای بعضی از انواع وسایل الکترونیکی با فرکانس بالا و برای الکترونیک قدرت ایده آل باشد.
لی می گوید با برخی اقدامات ، الماس به طور بالقوه می تواند 100000 برابر بهتر از سیلیکون عمل کند. اما این محدودیت های دیگری نیز دارد ، از جمله این واقعیت است که هنوز کسی روش خوبی و مقیاس پذیر برای قرار دادن لایه های الماس را روی یک بستر بزرگ نداده است. تهیه مواد اولیه و همچنین معرفی سایر اتم ها به بخش اصلی تولید نیمه هادی دشوار است.
دائو با نصب مواد در یک قاب که می تواند برای تغییر مقدار و جهت یابی از سویه تنظیم شود ، می گوید: "ما می توانیم انعطاف پذیری قابل توجهی داشته باشیم".
لی می گوید ، در حالی که این مطالعه به طور خاص روی تأثیر فشار روی پهنای باند مواد متمرکز شده است ، "این روش قابل تعمیم است" از جنبه های دیگر ، که نه تنها بر خواص الکترونیکی بلکه بر خواص دیگری مانند رفتار فوتونی و مغناطیسی نیز تأثیر می گذارد. از بین 1 درصد فشار موجود در تراشه های تجاری ، بسیاری از برنامه های جدید اکنون باز می شوند که این تیم نشان داده است که سویه های تقریبا 10 درصد بدون شکستگی امکان پذیر است. وی می گوید: "هنگامی که به بیش از 7 درصد از فشار برسید ، در مواد بسیار تغییر می کنید."
لی می گوید: "این روش جدید به طور بالقوه می تواند به طراحی خواص مواد بی سابقه منجر شود." "اما کار بیشتری لازم است تا بفهمیم چگونگی تحمیل کرنش و چگونگی مقیاس کردن روند انجام این کار روی 100 میلیون ترانزیستور روی یک تراشه [و اطمینان حاصل شود که] هیچکدام از آنها نمی توانند شکست بخورند."
اعمال مقدار کمی فشار به یک قطعه نیمه رسانا یا مواد کریستالی دیگر می تواند ترتیب مرتب اتم ها را در ساختار آن تغییر شکل دهد و باعث ایجاد تغییرات چشمگیر در خواص آن شود ، از جمله روش برق ، انتقال نور ، یا گرما را انجام می دهد.
اکنون ، تیمی از محققان MIT و روسیه و سنگاپور روشهایی برای استفاده از هوش مصنوعی برای پیش بینی و کنترل این تغییرات پیدا کرده اند ، به طور بالقوه راه های جدیدی را برای تحقیقات در مورد مواد پیشرفته باز می کنند. برای دستگاه های آینده باز می کنند.
این یافته ها این هفته در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ، در مقاله ای نوشته شده توسط استاد دانشگاه MIT از علوم و مهندسی هسته ای و علوم مواد ظاهر می شود جی لی ، دانشمند اصلی تحقیقات MIT مینگ دائو ، و دانشجوی فارغ التحصیل MIT ، ژه شی ، منتشر شده است. با Evgeni Tsymbalov و الكساندر Shapeev در انستیتوی علوم و فناوری Skolkovo در روسیه ، و Subra Suresh ، استاد وانیوار بوش استاد امریتوس و معاون سابق مهندسی در MIT و رئیس جمهور فعلی دانشگاه فنی نانیانگ در سنگاپور.
در حال حاضر ، بر اساس کار قبلی در MIT ، مقداری از فشار الاستیک در برخی تراشه های پردازنده سیلیکون گنجانیده شده است. حتی تغییر 1 درصدی ساختار در بعضی موارد می تواند سرعت دستگاه را 50 درصد بهبود بخشد ، با این کار اجازه می دهد تا الکترون ها بتوانند سریعتر از داخل مواد حرکت کنند.
تحقیقات اخیر Suresh ، Dao و Yang Lu ، سابق سابق MIT که هم اکنون در دانشگاه سیتی در هنگ کنگ انجام شده است ، نشان داد که حتی الماس ، قویترین و سخت ترین ماده موجود در طبیعت ، می تواند به راحتی تا 9 درصد بدون کشش کشیده شود. این به شکل سوزن هایی با اندازه نانومتر است. لی و یانگ به طور مشابه نشان دادند كه سیمهای نانو مقیاس سیلیكون بیش از 15 درصد بطور الاستیک كشیده می شوند. این اکتشافات راههای جدیدی را برای کشف چگونگی ساخت دستگاهها با تغییرات حتی چشمگیر در خصوصیات مواد ایجاد کرده است.
فشار ساخته شده به سفارش
بر خلاف روش های دیگر برای تغییر خواص مواد مانند دوپینگ شیمیایی ، که باعث تغییر دائمی و استاتیک می شود ، مهندسی کرنش اجازه می دهد تا خواص در پرواز تغییر یابد. لی می گوید: "کرنش چیزی است که می توانید بصورت دینامیکی روشن و خاموش کنید."
اما پتانسیل مواد کرنش شده توسط دامنه طوفان آور احتمالات مانع شده است. کرنش را می توان به هر یک از شش روش مختلف (در سه بعد مختلف ، که هر یک از آنها می تواند کرنش درون و برون یا کناره) ایجاد کند و با درجه های تقریباً نامتناهی از درجه ، بنابراین دامنه کامل از امکانات غیر عملی برای کشف است. به سادگی با آزمایش و خطا. لی می گوید: "اگر بخواهیم کل فضای کرنش الاستیک را مشخص کنیم ، به سرعت 100 میلیون محاسبه رشد می کند."
در اینجاست که برنامه جدید این تیم از روشهای یادگیری ماشینی به نجات می رسد و روشی منظم برای کاوش در مورد احتمالات و قرارگیری در میزان و جهت مناسب کرنش برای دستیابی به مجموعه مشخصی از خواص برای یک هدف خاص فراهم می کند. لی می گوید: "اکنون ما این روش بسیار دقیق را داریم" که پیچیدگی محاسبات مورد نیاز را به شدت کاهش می دهد.
سورش می گوید: "این اثر نمادی از چگونگی پیشرفت های اخیر در زمینه های به ظاهر دوردست مانند فیزیک مواد ، هوش مصنوعی ، محاسبات و یادگیری ماشینی است تا بتوانیم دانش علمی که پیامدهای محکمی در کاربرد صنعت دارد ، پیش برد."
محققان می گویند ، روش جدید می تواند امکاناتی برای ایجاد مواد تنظیم شده دقیقاً برای دستگاه های الکترونیکی ، نوری و فوتونیک فراهم کند که می تواند کاربردهایی برای ارتباطات ، پردازش اطلاعات و کاربردهای انرژی پیدا کند.
این تیم تأثیر کرنش را روی باند گپ ، یک ویژگی الکترونیکی کلیدی نیمه هادی ها ، در هر دو سیلیکون و الماس بررسی کردند. آنها با استفاده از الگوریتم شبکه عصبی خود توانستند با دقت بالا پیش بینی کنند که چگونه مقادیر مختلف و جهت گیری کرنش بر پهنای باند تأثیر می گذارد.
"تنظیم" یک باند گپ می تواند یک وسیله اصلی برای بهبود کارآیی دستگاه مانند سلول خورشیدی سیلیکون باشد ، تا با استفاده از آن بتواند دقیقاً با نوع منبع انرژی که برای مهار استفاده می شود مطابقت داشته باشد. به عنوان مثال ، با تنظیم دقیق باندهای خود ، می توانید یک سلول خورشیدی سیلیکونی درست تهیه کنید که در گرفتن نور خورشید به اندازه همتایان خود مؤثر باشد ، اما ضخامت آن یک هزارم است. از نظر تئوری ، مواد "حتی می توانند از نیمه هادی به فلز تغییر کنند ، و این کار در صورتی که در یک محصول تولید انبوه انجام شود ، کاربردهای بسیاری خواهد داشت."
در حالی که ممکن است در برخی موارد تحریک تغییرات مشابه با روش های دیگر مانند قرار دادن مواد در یک میدان الکتریکی قوی و یا تغییر شیمیایی در آن ، این تغییرات تمایل به ایجاد عوارض جانبی زیادی در رفتار ماده دارند ، در حالی که تغییر کرنش چنین سمت کمتری دارد. اثرات به عنوان مثال ، لی توضیح می دهد ، یک میدان الکترواستاتیک اغلب در عملکرد دستگاه تداخل دارد زیرا این امر بر نحوه جریان برق از طریق آن تأثیر می گذارد. تغییر کرنش چنین دخالتی ایجاد نمی کند.
پتانسیل الماس
الماس به عنوان یک ماده نیمه هادی از پتانسیل بسیار خوبی برخوردار است ، اگرچه در مراحل ابتدایی خود در مقایسه با فناوری سیلیکون است. لی با اشاره به اینکه حامل منفی و مثبت جریان الکتریکی آزادانه از طریق الماس حرکت می کند ، می گوید: "این ماده بسیار افراطی است و دارای تحرک بالای حامل است. به همین دلیل ، الماس می تواند برای بعضی از انواع وسایل الکترونیکی با فرکانس بالا و برای الکترونیک قدرت ایده آل باشد.
لی می گوید با برخی اقدامات ، الماس به طور بالقوه می تواند 100000 برابر بهتر از سیلیکون عمل کند. اما این محدودیت های دیگری نیز دارد ، از جمله این واقعیت است که هنوز کسی روش خوبی و مقیاس پذیر برای قرار دادن لایه های الماس را روی یک بستر بزرگ نداده است. تهیه مواد اولیه و همچنین معرفی سایر اتم ها به بخش اصلی تولید نیمه هادی دشوار است.
دائو با نصب مواد در یک قاب که می تواند برای تغییر مقدار و جهت یابی از سویه تنظیم شود ، می گوید: "ما می توانیم انعطاف پذیری قابل توجهی داشته باشیم".
لی می گوید ، در حالی که این مطالعه به طور خاص روی تأثیر فشار روی پهنای باند مواد متمرکز شده است ، "این روش قابل تعمیم است" از جنبه های دیگر ، که نه تنها بر خواص الکترونیکی بلکه بر خواص دیگری مانند رفتار فوتونی و مغناطیسی نیز تأثیر می گذارد. از بین 1 درصد فشار موجود در تراشه های تجاری ، بسیاری از برنامه های جدید اکنون باز می شوند که این تیم نشان داده است که سویه های تقریبا 10 درصد بدون شکستگی امکان پذیر است. وی می گوید: "هنگامی که به بیش از 7 درصد از فشار برسید ، در مواد بسیار تغییر می کنید."
لی می گوید: "این روش جدید به طور بالقوه می تواند به طراحی خواص مواد بی سابقه منجر شود." "اما کار بیشتری لازم است تا بفهمیم چگونگی تحمیل کرنش و چگونگی مقیاس کردن روند انجام این کار روی 100 میلیون ترانزیستور روی یک تراشه [و اطمینان حاصل شود که] هیچکدام از آنها نمی توانند شکست بخورند."
استفاده از هوش مصنوعی برای مهندسی خواص مواد