Aplicar solo un poco de tensión a una pieza de semiconductor u otro material cristalino puede deformar la disposición ordenada de los átomos en su estructura lo suficiente como para causar cambios dramáticos en sus propiedades, como la forma en que conduce electricidad, transmite luz o conduce calor.
Ahora, un equipo de investigadores en el MIT y en Rusia y Singapur han encontrado formas de utilizar la inteligencia artificial para ayudar a predecir y controlar estos cambios, abriendo potencialmente nuevas vías de investigación sobre materiales avanzados para futuros dispositivos de alta tecnología.
Los resultados aparecen esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , en un documento escrito por el profesor de ciencias e ingeniería nuclear del MIT y de ciencia e ingeniería de materiales Ju Li, el investigador principal del MIT Ming Dao y el estudiante graduado del MIT Zhe Shi, con Evgeni Tsymbalov y Alexander Shapeev en el Instituto de Ciencia Skolkovoy Tecnología en Rusia, y Subra Suresh, el profesor emérito de Vannevar Bush y ex decano de ingeniería en el MIT y actual presidente de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur.
Ya, según el trabajo anterior en el MIT, se ha incorporado cierto grado de tensión elástica en algunos chips de procesadores de silicio. Incluso un cambio del 1 por ciento en la estructura puede en algunos casos mejorar la velocidad del dispositivo en un 50 por ciento, al permitir electronespara moverse a través del material más rápido.
Investigaciones recientes de Suresh, Dao y Yang Lu, un ex postdoc del MIT ahora en la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, mostraron que incluso el diamante, el material más fuerte y más duro que se encuentra en la naturaleza, puede estirarse elásticamente hasta en un 9 por ciento sinfalla cuando está en forma de agujas de tamaño nanométrico. Li y Yang demostraron de manera similar que los cables de silicio a nanoescala se pueden estirar puramente elásticamente en más del 15 por ciento. Estos descubrimientos han abierto nuevas vías para explorar cómo se pueden fabricar dispositivos inclusocambios más dramáticos en las propiedades de los materiales.
cepa hecha a pedido
A diferencia de otras formas de cambiar las propiedades de un material, como el dopaje químico, que produce un cambio permanente y estático, la ingeniería de deformación permite cambiar las propiedades sobre la marcha. "La deformación es algo que puede activar y desactivar dinámicamente", dice Li.
Pero el potencial de los materiales de ingeniería de deformación se ha visto obstaculizado por el abrumador rango de posibilidades. La deformación se puede aplicar de cualquiera de las seis formas diferentes en tres dimensiones diferentes, cada una de las cuales puede producir deformación de entrada y salida o de lado, y con gradaciones de grado casi infinitas, por lo que no es práctico explorar el rango completo de posibilidades simplemente por prueba y error. "Crece rápidamente a 100 millones de cálculos si queremos mapear todo el espacio de deformación elástica", dice Li.
Ahí es donde la aplicación novedosa de este equipo de métodos de aprendizaje automático viene al rescate, proporcionando una forma sistemática de explorar las posibilidades y enfocarse en la cantidad y dirección apropiadas de tensión para lograr un conjunto dado de propiedades para un propósito particular ". Ahoratenemos este método de muy alta precisión "que reduce drásticamente la complejidad de los cálculos necesarios, dice Li.
"Este trabajo es una ilustración de cómo los recientes avances en campos aparentemente distantes como la física de los materiales, la inteligencia artificial, la informática y el aprendizaje automático se pueden unir para avanzar en el conocimiento científico que tiene fuertes implicaciones para la aplicación en la industria", dice Suresh.
El nuevo método, dicen los investigadores, podría abrir posibilidades para crear materiales ajustados con precisión para dispositivos electrónicos, optoelectrónicos y fotónicos que podrían encontrar usos para comunicaciones, procesamiento de información y aplicaciones de energía.
El equipo estudió los efectos de la tensión en la banda prohibida, una propiedad electrónica clave de los semiconductores, tanto en silicio como en diamante. Utilizando su algoritmo de red neuronal, pudieron predecir con alta precisión cómo las diferentes cantidades y orientaciones de tensión afectaríanbandgap.
"La sintonización" de una banda prohibida puede ser una herramienta clave para mejorar la eficiencia de un dispositivo, como una célula solar de silicio, al hacer que coincida con más precisión con el tipo de fuente de energía que está diseñado para aprovechar.sintonizando su banda prohibida, por ejemplo, puede ser posible hacer una célula solar de silicio que sea tan efectiva para capturar la luz solar como sus contrapartes, pero que solo tenga una milésima de grosor. En teoría, el material "incluso puede cambiar de un semiconductor aun metal, y eso tendría muchas aplicaciones, si eso es factible en un producto producido en masa ", dice Li.
Si bien en algunos casos es posible inducir cambios similares por otros medios, como colocar el material en un campo eléctrico fuerte o alterarlo químicamente, esos cambios tienden a tener muchos efectos secundarios en el comportamiento del material, mientras que cambiar la tensión tiene menostales efectos secundarios. Por ejemplo, explica Li, un campo electrostático a menudo interfiere con el funcionamiento del dispositivo porque afecta la forma en que la electricidad fluye a través de él. Cambiar la tensión no produce tal interferencia.
potencial del diamante
El diamante tiene un gran potencial como material semiconductor, aunque todavía está en pañales en comparación con la tecnología de silicio. "Es un material extremo, con alta movilidad portadora", dice Li, refiriéndose a la forma en que los portadores negativos y positivos de corriente eléctrica se mueven librementea través del diamante. Por eso, el diamante podría ser ideal para algunos tipos de dispositivos electrónicos de alta frecuencia y para la electrónica de potencia.
Según algunas medidas, dice Li, el diamante podría funcionar 100,000 veces mejor que el silicio. Pero tiene otras limitaciones, incluido el hecho de que nadie ha descubierto una forma buena y escalable de colocar capas de diamante en un sustrato grande. El materialTambién es difícil "dopar" o introducir otros átomos en una parte clave de la fabricación de semiconductores.
Al montar el material en un marco que se puede ajustar para cambiar la cantidad y la orientación de la tensión, Dao dice que "podemos tener una flexibilidad considerable" para alterar su comportamiento dopante.
Mientras que este estudio se centró específicamente en los efectos de la tensión en la banda prohibida de los materiales, "el método es generalizable" a otros aspectos, que afectan no solo a las propiedades electrónicas sino también a otras propiedades como el comportamiento fotónico y magnético, dice Li.El 1 por ciento de la cepa ahora se usa en chips comerciales, muchas aplicaciones nuevas se abren ahora que este equipo ha demostrado que las cepas de casi el 10 por ciento son posibles sin fracturarse ". Cuando llegas a más del 7 por ciento de cepa, realmente cambias mucho en elmaterial ", dice.
"Este nuevo método podría conducir al diseño de propiedades de material sin precedentes", dice Li. "Pero se necesitará mucho más trabajo para descubrir cómo imponer la tensión y cómo ampliar el proceso para hacerlo en 100 millonestransistores en un chip [y asegúrese de que] ninguno de ellos pueda fallar "
El trabajo fue apoyado por el programa MIT-Skoltech y la Universidad Tecnológica de Nanyang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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