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 la electricidad, transmite luz, o conduce calor.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y en Rusia y Singapur ha encontrado formas de utilizar la inteligencia artificial para ayudar a predecir y controlar estos cambios, potencialmente abriendo nuevas vías de investigación sobre materiales avanzados para futuros dispositivos de alta tecnología.

Los hallazgos aparecen esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , en un artículo escrito por el profesor de ciencia e ingeniería nuclear del MIT y de ciencia e ingeniería de materiales, Ju Li, El científico investigador principal del MIT, Ming Dao, y la estudiante de posgrado del MIT Zhe Shi, con Evgeni Tsymbalov y Alexander Shapeev en el Instituto de Ciencia y Tecnología Skolkovo 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, basado en trabajos anteriores en el MIT, Se ha incorporado cierto grado de tensión elástica en algunos chips 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 que los electrones se muevan a través del material más rápido.

Investigación reciente de Suresh, Dao, y Yang Lu, un ex postdoctorado del MIT ahora en City University of Hong Kong, mostró que incluso el diamante, el material más fuerte y duro que se encuentra en la naturaleza, se puede estirar elásticamente hasta en un 9 por ciento sin fallar cuando está en forma de agujas de tamaño nanométrico. Li y Yang demostraron de manera similar que los alambres de silicio a nanoescala se pueden estirar de forma puramente elástica en más del 15 por ciento. Estos descubrimientos han abierto nuevas vías para explorar cómo se pueden fabricar dispositivos con cambios aún más dramáticos en las propiedades de los materiales.

Cepa hecha por encargo

A diferencia de otras formas de cambiar las propiedades de un material, como el dopaje químico, que producen un permanente, cambio estático, La ingeniería de deformaciones permite cambiar las propiedades sobre la marcha. "La tensión es algo que puedes activar y desactivar de forma dinámica, "Li dice.

Pero el potencial de los materiales de ingeniería de deformación se ha visto obstaculizado por la abrumadora gama de posibilidades. La deformación se puede aplicar de seis formas diferentes (en tres dimensiones diferentes, cada uno de los cuales puede producir tensión hacia adentro y hacia afuera o hacia los lados), y con gradaciones de grado casi infinitas, por lo que no es práctico explorar la gama completa de posibilidades simplemente por ensayo y error. "Crece rápidamente a 100 millones de cálculos si queremos trazar todo el espacio de deformación elástica, "Li dice.

Ahí es donde viene al rescate la nueva aplicación de métodos de aprendizaje automático de este equipo, proporcionando una forma sistemática de explorar las posibilidades y concentrarse en la cantidad y dirección adecuadas de tensión para lograr un conjunto dado de propiedades para un propósito particular. "Ahora tenemos 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 avances recientes en campos aparentemente distantes, como la física de materiales, inteligencia artificial, informática, y el aprendizaje automático se pueden combinar para promover el conocimiento científico que tiene fuertes implicaciones para la aplicación industrial, "Dice Suresh.

El nuevo método los investigadores dicen, podría abrir posibilidades para crear materiales sintonizados con precisión para electrónica, optoelectrónico y dispositivos fotónicos que podrían encontrar usos para las comunicaciones, procesamiento de información, y aplicaciones energéticas.

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. Usando su algoritmo de red neuronal, pudieron predecir con gran precisión cómo las diferentes cantidades y orientaciones de tensión afectarían a la banda prohibida.

La "sintonización" de una banda prohibida puede ser una herramienta clave para mejorar la eficiencia de un dispositivo, como una celda solar de silicio, haciéndolo coincidir con mayor precisión con el tipo de fuente de energía que está diseñado para aprovechar. Al ajustar su banda prohibida, por ejemplo, Puede ser posible fabricar una célula solar de silicio que sea tan eficaz para capturar la luz solar como sus contrapartes, pero que tenga solo una milésima parte del grosor. En teoria, el material "puede incluso cambiar de un semiconductor a un metal, y eso tendría muchas aplicaciones, si eso es factible en un producto producido en masa, "Li dice.

Si bien en algunos casos es posible inducir cambios similares por otros medios, como poner 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 cepa tiene menos efectos secundarios. Por ejemplo, Li explica, 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 cepa no produce tal interferencia.

El 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 del portador, "Li dice, refiriéndose a la forma en que los portadores negativos y positivos de corriente eléctrica se mueven libremente a través del diamante. Por eso, El diamante podría ser ideal para algunos tipos de dispositivos electrónicos de alta frecuencia y para electrónica de potencia.

Por algunas medidas, Li dice:el diamante podría potencialmente realizar 100, 000 veces mejor que el silicio. Pero tiene otras limitaciones, incluido el hecho de que nadie ha descubierto todavía una forma buena y escalable de colocar capas de diamantes en un sustrato grande. El material también es difícil de "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, "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. De la cepa del 1 por ciento que ahora se usa en chips comerciales, Se abren muchas aplicaciones nuevas ahora que este equipo ha demostrado que las deformaciones de casi el 10 por ciento son posibles sin fracturarse. "Cuando se llega a una tensión superior al 7 por ciento, realmente cambias mucho en el material, " él dice.

"Este nuevo método podría conducir potencialmente al diseño de propiedades de material sin precedentes, "Li dice." Pero se necesitará mucho más trabajo para descubrir cómo imponer la tensión y cómo escalar el proceso para hacerlo en 100 millones de transistores en un chip [y asegurarse de que] ninguno de ellos pueda fallar ".