Без карты практически невозможно узнать не только о том, где вы находитесь, но и куда вы идете, и это особенно верно, когда речь идет о свойствах материалов.
На протяжении десятилетий ученые понимали, что, хотя объемные материалы ведут себя определенным образом, эти правила могут нарушаться для материалов микро- и наномасштабов, и часто удивительным образом. Одним из таких сюрпризов стало открытие того, что для некоторых материалов приложение даже небольших деформаций (концепция, известная как инженерия упругих деформаций) к материалам может значительно улучшить определенные свойства при условии, что эти деформации остаются эластичными и не релаксируют в результате пластичности, разрушения или фазовые превращения. Микро- и наноматериалы особенно хорошо удерживают приложенные напряжения в упругой форме.
Однако до недавнего времени было менее ясно, как именно применять эти упругие деформации (или, что то же самое, остаточное напряжение) для достижения определенных свойств материала.
Используя сочетание расчетов на основе основных принципов и машинного обучения, группа исследователей Массачусетского технологического института разработала первую в мире карту того, как настроить кристаллические материалы для получения определенных тепловых и электронных свойств.
Группа под руководством Цзюй Ли, профессора ядерной инженерии и профессора материаловедения и инженерии Энергетического альянса Battelle, описала основу для точного понимания того, как изменение упругих напряжений материала может точно настроить такие свойства, как тепловая и электропроводность. Работа описана в статье открытого доступа, опубликованной в ПНАС.
«Впервые с помощью машинного обучения мы смогли очертить полную шестимерную границу идеальной прочности, которая является верхним пределом техники упругой деформации, и создать карту этих электронных и фононных свойств», Ли говорит. «Теперь мы можем использовать этот подход для исследования многих других материалов. Традиционно люди создают новые материалы, изменяя химический состав».
«Например, с помощью тройного сплава вы можете изменить процентное соотношение двух элементов, получив две степени свободы», — продолжает он. «Мы показали, что алмаз, содержащий всего один элемент, эквивалентен шестикомпонентному сплаву, поскольку у вас есть шесть степеней свободы упругой деформации, которую вы можете настраивать независимо».
Маленькие нагрузки, большие материальные выгоды
Статья опирается на фундамент, заложенный еще в 1980-х годах, когда исследователи впервые обнаружили, что характеристики полупроводниковых материалов удваиваются, когда к материалу прикладывается небольшая — всего 1 процент — упругая деформация.
«Хотя это открытие было быстро коммерциализировано полупроводниковой промышленностью и сегодня используется для повышения производительности микрочипов во всем, от ноутбуков до мобильных телефонов, этот уровень напряжения очень мал по сравнению с тем, чего мы можем достичь сейчас», — говорит Субра Суреш, профессор Ванневара Буша. почетный инженер.
В 2018 году Наука В статье Суреш, Дао и коллеги продемонстрировали, что напряжение в 1 процент — это лишь верхушка айсберга.
В рамках исследования 2018 года Суреш и его коллеги впервые продемонстрировали, что алмазные наноиглы могут выдерживать упругие деформации до 9 процентов и при этом возвращаться в исходное состояние. Позже несколько групп независимо друг от друга подтвердили, что микроразмерный алмаз действительно может упруго деформироваться примерно на 7 процентов при обратимом растяжении.
«Как только мы показали, что можем сгибать наноразмерные алмазы и создавать деформации порядка 9 или 10 процентов, возник вопрос, что с этим делать», — говорит Суреш. «Оказывается, алмаз — очень хороший полупроводниковый материал… и один из наших вопросов заключался в том, можем ли мы механически деформировать алмаз, сможем ли мы уменьшить ширину запрещенной зоны с 5,6 электронвольт до двух или трех? Или мы можем довести его до нуля, когда он начнет проводить ток как металл?»
Чтобы ответить на эти вопросы, команда сначала обратилась к машинному обучению, чтобы получить более точную картину того, как именно деформация меняет свойства материала.
«Деформация — это большое пространство», — объясняет Ли. «У вас может быть растягивающая деформация, вы можете иметь сдвиговую деформацию в нескольких направлениях, так что это шестимерное пространство, а фононная зона трехмерна, поэтому всего существует девять настраиваемых параметров. Итак, мы впервые используем машинное обучение, чтобы создать полную карту для навигации по электронным и фононным свойствам и определить границы».
Вооружившись этой картой, команда впоследствии продемонстрировала, как можно использовать напряжение, чтобы радикально изменить полупроводниковые свойства алмаза.
«Алмаз подобен Эвересту среди электронных материалов, — говорит Ли, — потому что он обладает очень высокой теплопроводностью, очень высокой диэлектрической прочностью на пробой и очень большой подвижностью носителей тока. Мы показали, что можем контролируемо сдавить гору Эверест… поэтому мы показываем, что с помощью деформационной инженерии можно либо улучшить теплопроводность алмаза в два раза, либо значительно ухудшить ее в 20 раз».
Новая карта, новые приложения
По словам Ли, в будущем полученные результаты можно будет использовать для изучения множества экзотических свойств материалов, от резко сниженной теплопроводности до сверхпроводимости.
«Экспериментально эти свойства уже доступны с помощью наноигл и даже микромостиков», — говорит он. «И мы видели экзотические свойства, такие как снижение теплопроводности алмаза всего до нескольких сотен ватт на метр-Кельвин. Недавно люди показали, что можно производить сверхпроводники при комнатной температуре с помощью гидридов, если сжать их до нескольких сотен гигапаскалей, поэтому, когда у нас есть карта, мы обнаружили все виды экзотического поведения».
Результаты могут также повлиять на разработку компьютерных чипов следующего поколения, способных работать намного быстрее и холоднее, чем сегодняшние процессоры, а также на квантовые датчики и устройства связи. По мере того, как индустрия производства полупроводников переходит к все более плотной и плотной архитектуре, Суреш говорит, что возможность настраивать теплопроводность материала будет особенно важна для рассеивания тепла.
Хотя эта статья может стать основой для разработки будущих поколений микрочипов, Чжэ Ши, постдок в лаборатории Ли и первый автор статьи, говорит, что потребуется дополнительная работа, прежде чем эти чипы найдут свое применение в среднестатистическом ноутбуке или мобильном телефоне.
«Мы знаем, что нагрузка в 1 процент может дать вам увеличение тактовой частоты вашего процессора на порядок», — говорит Ши. «Чтобы это стало реальностью, необходимо решить множество проблем, связанных с производством и устройствами, но я думаю, что это определенно отличное начало. Это захватывающее начало того, что может привести к значительному прогрессу в технологиях».
Эта работа финансировалась Агентством по уменьшению угроз Министерства обороны, стипендией для аспирантов NSF, Школой биологических наук Наньянского технологического университета, Национальным научным фондом (NSF), профессором Массачусетского технологического института Ванневара Буша и заслуженным профессором технологического университета Наньяна. .