如果沒有地圖，就幾乎不可能知道您在哪里，而且知道您要去哪里，在材料屬性方面尤其如此。
幾十年來，科學家們已經(jīng)了解到，雖然散裝材料以某些方式表現(xiàn)，但這些規(guī)則對于微米和納米尺度的材料來說可能會被打破，而且往往會以令人驚訝的方式被打破。其中一個令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是，對于某些材料，即使施加適度的應變(一種稱為彈性應變工程的概念)，也可以顯著改善材料的某些性能，前提是這些應變保持彈性并且不會因塑性、斷裂或變形而松弛。相變。微米級和納米級材料特別擅長以彈性形式保持施加的應變。
然而，直到最近，究竟如何應用這些彈性應變(或等效的殘余應力)來實現(xiàn)某些材料性能還不太清楚。
麻省理工學院的研究人員團隊結合第一性原理計算和機器學習，開發(fā)出了第一張關于如何調整晶體材料以產(chǎn)生特定熱和電子特性的圖。
在巴特爾能源聯(lián)盟核工程教授、材料科學與工程教授李巨的帶領下，該團隊描述了一個框架，用于準確理解改變材料的彈性應變如何微調導熱性和導電性等特性。這項工作在《美國國家科學院院刊》上發(fā)表的一篇開放獲取論文中進行了描述。
“通過使用機器學習，我們第一次能夠描繪出理想強度的完整六維邊界，這是彈性應變工程的上限，并為這些電子和聲子特性創(chuàng)建了一個映射，”李說。“我們現(xiàn)在可以使用這種方法來探索許多其他材料。傳統(tǒng)上，人們通過改變化學成分來創(chuàng)造新材料。”
“例如，使用三元合金，您可以改變兩種元素的百分比，因此您有兩個自由度，”他繼續(xù)說道。“我們已經(jīng)證明，僅含有一種元素的金剛石相當于六組分合金，因為您有六個可以獨立調整的彈性應變自由度。”
小應變，大物質效益
這篇論文的基礎可以追溯到20世紀80年代，當時研究人員首次發(fā)現(xiàn)，當對材料施加很小(僅1%)的彈性應變時，半導體材料的性能會翻倍。
VannevarBush教授SubraSuresh表示，雖然這一發(fā)現(xiàn)很快被半導體行業(yè)商業(yè)化，并且如今被用來提高從筆記本電腦到手機等各種設備中微芯片的性能，但與我們現(xiàn)在所能達到的水平相比，這種壓力水平非常小。名譽工程學士。
在2018年《科學》雜志的一篇論文中，Suresh、Dao和同事證明1%的應變只是冰山一角。
作為2018年研究的一部分，Suresh及其同事首次證明金剛石納米針可以承受高達9%的彈性應變，并且仍能恢復到原始狀態(tài)。后來，幾個小組獨立證實，微型金剛石確實可以在張力下可逆地彈性變形約7%。
“一旦我們證明我們可以彎曲納米級鉆石并產(chǎn)生9%或10%的應變，問題就是，你可以用它做什么，”蘇雷什說。“事實證明，金剛石是一種非常好的半導體材料……我們的一個問題是，如果我們能夠對金剛石進行機械應變，我們能否將帶隙從5.6電子伏特減少到2或3電子伏特?或者我們可以一直得到它嗎?降到零，它開始像金屬一樣導電?”
為了回答這些問題，該團隊首先轉向機器學習，以更準確地了解應變如何改變材料特性。
“應變是一個很大的空間，”李解釋道。“你可以有拉伸應變，也可以有多個方向的剪切應變，所以它是一個六維空間，而聲子帶是三維的，所以總共有九個可調參數(shù)。所以，我們正在使用機器學習，第一次創(chuàng)建一個完整的地圖來導航電子和聲子屬性并識別邊界。”
借助該圖，該團隊隨后演示了如何利用應變來顯著改變金剛石的半導體特性。
“金剛石就像電子材料中的珠穆朗瑪峰，”李說，“因為它具有非常高的導熱率、非常高的介電擊穿強度、非常大的載流子遷移率。我們已經(jīng)證明，我們可以可控地壓垮珠穆朗瑪峰。”……所以我們表明，通過應變工程，您可以將金剛石的導熱率提高兩倍，或者使其更差20倍。”
新地圖，新應用
李說，展望未來，這些發(fā)現(xiàn)可用于探索一系列奇異的材料特性，從大幅降低的導熱率到超導性。
“通過實驗，這些特性已經(jīng)可以通過納米針甚至微橋實現(xiàn)，”他說。“我們已經(jīng)看到了奇異的特性，例如將金剛石的(導熱率)降低到每米開爾文幾百瓦。最近，人們已經(jīng)證明，如果將氫化物壓縮到幾百吉帕，就可以用氫化物生產(chǎn)室溫超導體，所以一旦我們有了地圖，我們就發(fā)現(xiàn)了各種奇怪的行為。”
研究結果還可能影響下一代計算機芯片以及量子傳感器和通信設備的設計，這些芯片的運行速度比當今的處理器更快、更低。Suresh表示，隨著半導體制造行業(yè)轉向越來越密集的架構，調整材料熱導率的能力對于散熱來說尤為重要。
雖然這篇論文可以為未來幾代微芯片的設計提供信息，但李實驗室的博士后、論文的第一作者史哲表示，在這些芯片進入普通筆記本電腦或手機之前，還需要做更多的工作。
“我們知道1%的壓力可以使CPU的時鐘速度提高一個數(shù)量級，”Shi說。“為了使這一目標成為現(xiàn)實，需要解決許多制造和設備問題，但我認為這絕對是一個很好的開始。這是一個令人興奮的開始，可能會導致技術的重大進步。”
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