據(jù) Nanowerk News 2 月 12 日報道，來自新加坡南洋理工大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院和俄羅斯斯科爾科沃理工學(xué)院的研究人員相互合作，開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這種算法可以預(yù)測材料應(yīng)變時性能的變化。

這項工作可能會為工程新材料帶來極大的潛力，新材料可能會因此具有量身定制的特性，在通信、信息處理和能源領(lǐng)域擁有廣闊前景。

這篇論文發(fā)表在 Proceedings of the National Academy of Sciences 雜志上，題為“通過機(jī)器學(xué)習(xí)研究帶隙彈性應(yīng)變的方法”（Deep elastic strain engineering of bandgap through machine learning），論文中作者演示了如何利用人工智能來確認(rèn)最節(jié)能的應(yīng)變路徑，從而將金剛石轉(zhuǎn)化為更高效的半導(dǎo)體。

圖丨利用機(jī)器學(xué)習(xí)來設(shè)計和改變材料的特性，例如調(diào)整硅和金剛石的帶隙以獲得更高的處理速度（來源：南洋理工大學(xué)）

當(dāng)半導(dǎo)體材料發(fā)生彎曲或應(yīng)變時，結(jié)構(gòu)中的原子會受到擾動，從而改變自身的特性，如導(dǎo)電、發(fā)熱或透光等都會發(fā)生變化，這個過程被稱為“應(yīng)變工程”。

傳統(tǒng)上，對于應(yīng)變工程效應(yīng)的研究方法依賴于材料試驗和誤差實驗以及有限元計算機(jī)建模。

作為這項工作的前奏，去年，南洋理工大學(xué)和 MIT 的作者在Science雜志上報道說，鉆石納米針可以彎曲和拉伸到 9%，這項結(jié)果令人驚訝，因為鉆石是已知的最硬的天然材料。

在早期的工業(yè)應(yīng)用研究中，“應(yīng)變工程”經(jīng)常被用于硅處理器芯片，其中 1% 的應(yīng)變可以使電子移動的更快，從而使處理速度提高了 50%。

Subra Suresh 教授，是南洋理工大學(xué)的校長，同時也是這項研究的第一作者，他這么說到，我們的新方法使用機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測應(yīng)變對材料性能的影響，這使得在六維應(yīng)變空間中，對材料應(yīng)變無限組合的計算成為可能。

“現(xiàn)在我們有了這個相當(dāng)精確的方法，大大降低了計算的復(fù)雜性，”麻省理工學(xué)院工程系主任 Suresh 教授說，“材料物理、人工智能、計算和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域看似毫不相干，但我們一定程度上將它們結(jié)合到了一起，這對工業(yè)應(yīng)用中的科學(xué)知識具有重大影響?！?/p>

麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程以及材料科學(xué)與工程教授 Ju Li 解釋說，雖然傳統(tǒng)改變半導(dǎo)體的方法，如化學(xué)摻雜（在材料中添加一種新元素）會永久地影響和改變材料性能，但這時我們所考慮的非線性彈性應(yīng)變是可逆的，這意味著它可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景進(jìn)行調(diào)整。

然而，因為存在各種各樣的可能性，因此識別和應(yīng)用應(yīng)變工程材料的全部潛力是非常困難的。應(yīng)變可以用六種不同獨(dú)立方式中的任何一種施加（在三個不同的維度中，每一個維度都可以產(chǎn)生進(jìn)出或側(cè)向的應(yīng)變），并且具有近乎無限的梯度，因此，僅僅通過試驗和錯誤來探索是不切實際的。

“如果想繪制出整個彈性應(yīng)變空間，很快就會增長到 1 億次計算，”材料科學(xué)和工程的 Li 教授說。

在這項研究中，研究小組研究了應(yīng)變對帶隙的影響，帶隙是硅和金剛石半導(dǎo)體中的一個關(guān)鍵電子特性。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，他們高精度地預(yù)測了不同的應(yīng)變量和方向?qū)兜挠绊憽?/p>

調(diào)整帶隙可以提高半導(dǎo)體材料（如硅太陽能電池）的效率，增加光能的利用，同時使材料變薄 1000 倍，從而降低材料、運(yùn)輸和基礎(chǔ)設(shè)施所需的成本。

金剛石作為一種具有優(yōu)良內(nèi)在特性的半導(dǎo)體材料顯示出巨大的潛力，非常適于衛(wèi)星通信中的高頻無線電設(shè)備，以及移動網(wǎng)絡(luò)和電力電子設(shè)備。

這項工作由一個多學(xué)科的研究團(tuán)隊承擔(dān)，包括來自南洋理工大學(xué)的 Subra Suresh 教授、麻省理工學(xué)院首席研究科學(xué)家、南洋理工大學(xué)客座教授 Dr Mingdao 以及麻省理工學(xué)院的研究生 Zhe Sh ifrom；以及來自俄羅斯斯科爾科沃理工學(xué)院的 Evgeni tsymbalov 和 Alexander shapeev。

除了帶隙外，它們的方法還可以用來研究和預(yù)測材料的其他特性，如電子、光子和磁特性。

這項工作為電子、光電和光子器件領(lǐng)域創(chuàng)造新材料帶來了潛在的契機(jī)，這些材料將來可用于通信、信息處理和能源應(yīng)用。