只要對(duì)一塊半導(dǎo)體或其它晶體材料施加一點(diǎn)應(yīng)變，即會(huì)使其結(jié)構(gòu)中原子的有序排列發(fā)生變形，從而引發(fā)其性質(zhì)轉(zhuǎn)換——例如導(dǎo)電、透光或者傳導(dǎo)熱量等等。

如今，麻省理工學(xué)院、俄羅斯以及新加坡共同組建的一個(gè)研究小組，已經(jīng)找到利用人工智能以協(xié)助預(yù)測(cè)并管理此種變化的方法，而這有望為未來(lái)的高科技設(shè)備開(kāi)辟前沿材料研究。

此項(xiàng)研究結(jié)果被發(fā)表在上周的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上，由麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程學(xué)教授、材料科學(xué)與工程學(xué)教授Ju Li，麻省理工學(xué)院首席研究科學(xué)家Ming Dao，以及麻省理工學(xué)院研究生Zhe Shi共同撰寫。另外，俄羅斯Skolkovo科學(xué)與技術(shù)研究院的Evgenii Tsymbalov與Alexander Shapeev，Vannevar Bush退休教授、麻省理工學(xué)院前工程系主任兼現(xiàn)任新加坡南洋理工大學(xué)校長(zhǎng)Subra Suresh亦參與其中。

基于麻省理工學(xué)院的一系列早期工作成果，他們已經(jīng)能夠在多種硅處理器芯片當(dāng)中實(shí)現(xiàn)一定程度的彈性應(yīng)變。通過(guò)讓電子以更高速度穿過(guò)材料，即使僅引發(fā)1%的整體結(jié)構(gòu)變化，也可以在某些情況下將器件的運(yùn)行速度提高50%。

最近，由前麻省理工學(xué)院博士后、現(xiàn)就職于香港城市大學(xué)的Suresh、Dao與Yang Lu進(jìn)行的研究表明，即使是自然界中最為堅(jiān)固且硬度極高的鉆石，在以納米級(jí)針狀形式存在時(shí)，亦可實(shí)現(xiàn)高達(dá)9%的彈性拉伸且不致結(jié)構(gòu)失效。Li和Yang同時(shí)證明，納米級(jí)硅線的純彈性拉伸承受量甚至超過(guò)15%。這些發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)了一種新的途徑，使得我們能夠以前所未有的方法探索如何顯著改變材料的性質(zhì)以制造更多器件類別。

應(yīng)變改變排列

化學(xué)摻雜等原有改變材料性質(zhì)的方法，會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生永久性的靜態(tài)變化。與之不同，應(yīng)變工程允許研究人員在其運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中變更屬性。Li解釋稱，“應(yīng)變的特點(diǎn)，在于我們能夠以動(dòng)態(tài)方式開(kāi)啟并關(guān)閉一些屬性。”

不過(guò)，應(yīng)變工程材料的發(fā)展?jié)摿Γ嗍艿絿?yán)重阻礙。應(yīng)變能夠以六種不同的方式具體實(shí)現(xiàn)（立足不種不同的維度，其中每一個(gè)維度都能夠產(chǎn)生內(nèi)/外或者側(cè)向的應(yīng)變），且其各自擁有幾乎無(wú)限的度數(shù)級(jí)別，因此單純依靠反復(fù)試驗(yàn)來(lái)探索全部可能性顯然不切實(shí)際。Li表示，“如果我們想要繪制整個(gè)彈性應(yīng)變空間，那么計(jì)算總量將快速增長(zhǎng)至上億級(jí)別。”

正因?yàn)槿绱?，該團(tuán)隊(duì)才選擇以機(jī)器學(xué)習(xí)方法解決問(wèn)題。他們希望借此建立一種系統(tǒng)性方式，從而探索可能性并找出適當(dāng)?shù)膽?yīng)變量與方向，最終實(shí)現(xiàn)面向特定屬性集的特定目標(biāo)。Li指出，“現(xiàn)在我們擁有了這種精度非常高的方法”，因此大大降低了需要面對(duì)的計(jì)算復(fù)雜性水平。

Suresh也解釋稱，“這項(xiàng)工作說(shuō)明，材料物理學(xué)、人工智能、計(jì)算以及機(jī)器學(xué)習(xí)這些看似彼此毫無(wú)關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域，仍然能夠以特殊的方式給支撐工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的科學(xué)知識(shí)帶來(lái)重大影響。”

研究人員們表示，這種新的方法有望創(chuàng)造出新的材料，從而為電子、光電以及光子器件的構(gòu)建帶來(lái)新可能。這些器件將被廣泛應(yīng)用于通信、信息處理與能源等領(lǐng)域。

圖：在對(duì)硅等晶體材料施加少量應(yīng)變時(shí)，其性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化。例如，其能夠由極高的電阻轉(zhuǎn)換為像金屬一樣自由導(dǎo)電。

該團(tuán)隊(duì)研究了應(yīng)變對(duì)于帶隙的影響。所謂帶隙，是指硅與鉆石等半導(dǎo)體當(dāng)中最為關(guān)鍵的電子特性的具體來(lái)源。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，他們能夠以極高的精度預(yù)測(cè)應(yīng)變的不同量以及方向?qū)⒔o帶隙帶來(lái)怎樣的影響。

帶隙的“調(diào)諧”正是提高各類設(shè)備（例如硅太陽(yáng)能電池）運(yùn)行效率的一大關(guān)鍵工具，通過(guò)相關(guān)調(diào)整，我們能夠使設(shè)計(jì)更匹配其面向的能源類型。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)微調(diào)其帶隙，將能夠制造出陽(yáng)光捕獲效率完全一致、但厚度僅為原本千分之一的新型硅太陽(yáng)能電池。Li介紹稱，從理論上講，這種新材料“甚至能夠從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為金屬。一旦證實(shí)了其在大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品中的可行性，那么這將帶來(lái)極為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。”

雖然在某些情況下，我們也可以通過(guò)其它方法引發(fā)類似的變化，例如將材料放置在強(qiáng)電場(chǎng)當(dāng)中或者以化學(xué)方式進(jìn)行改變，但這些變化往往會(huì)對(duì)材料的屬性產(chǎn)生很多附帶影響；相比之下，應(yīng)變改變的影響就要小利多。Li解釋道，例如靜電場(chǎng)通常會(huì)干擾設(shè)備的運(yùn)行，因?yàn)槠鋾?huì)影響到電流通過(guò)目標(biāo)材料的方式。然而，應(yīng)變改變則不會(huì)產(chǎn)生這樣的干擾。

鉆石的潛力

作為一種半導(dǎo)體材料，鉆石擁有著巨大的潛力。但與硅技術(shù)相比，其仍然處于起步階段。Li指出，“這是一種屬性相當(dāng)極端的材料，擁有著相當(dāng)高的載流子遷移率。”所謂載流子遷移率，指的是電流中的正負(fù)電荷載體在鉆石當(dāng)中自由移動(dòng)的方式。因此，鉆石很可能成為某些高頻電子設(shè)備及電力型電子設(shè)備內(nèi)器件的理想制造材料。

Li指出，通過(guò)某些方式，鉆石的利用潛力也許會(huì)比硅高出10萬(wàn)倍。然而，其中也存在著不少局限性，包括沒(méi)有人能夠找到一種良好且可擴(kuò)展的方法將金剛石層放置在大型基板當(dāng)中。另外，該材料也很難“摻雜”或者引入其它原子，而這正是半導(dǎo)體制造中最為關(guān)鍵的部分。

通過(guò)將材料放置在可調(diào)節(jié)的框架當(dāng)中，可以控制其應(yīng)變改變的數(shù)量與方向，Dao表示“我們終于在改變其摻雜劑的屬性方面，開(kāi)拓出相當(dāng)大的靈活空間。”

雖然這項(xiàng)研究主要關(guān)注應(yīng)變對(duì)于材料帶隙的影響，但Li介紹稱“其中的方法可以推廣”到其它方面。這不僅能夠影響到電子特性，同時(shí)也將影響其它特性，例如光子與磁性行為。從當(dāng)前應(yīng)用于商業(yè)芯片的1%應(yīng)變開(kāi)始，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了諸多新型應(yīng)用方向的發(fā)展空間。他們已經(jīng)證明，在不發(fā)生斷裂的前提之下，應(yīng)變比例有望高達(dá)近10%。他指出，“當(dāng)達(dá)到7%以上的應(yīng)變之后，我們真的能夠在材料之上實(shí)現(xiàn)很多改變。”

Li進(jìn)一步補(bǔ)充稱，“這種新的方法有可能會(huì)設(shè)計(jì)出前所未有的材料特性。然而，我們還需要繼續(xù)探索才能弄清楚應(yīng)該如何施加具體應(yīng)變，以及如何擴(kuò)大工藝以在芯片中的上億個(gè)晶體管內(nèi)進(jìn)行應(yīng)變，同時(shí)確保它們都能夠按預(yù)期起效。”

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)副教授Evan Reed（他并沒(méi)有參加此項(xiàng)研究）表示，“這項(xiàng)極具創(chuàng)新性的工作展示出，通過(guò)以高彈性應(yīng)變顯著加速外來(lái)電子在普通材料內(nèi)通過(guò)速度這一工程設(shè)計(jì)方向的潛力。這揭示出此類應(yīng)變工程在自然界所將擁有的機(jī)遇與局限，且必將獲得對(duì)重要技術(shù)抱有濃厚興趣的研究人員的廣泛關(guān)注。”

這項(xiàng)研究亦得到麻省理工學(xué)院Skoltech項(xiàng)目以及南洋理工大學(xué)的支持。