弾性ひずみ工学のための史上初の完全なマップ | マサチューセッツ工科大学ニュース

地図がなければ、自分がどこにいるかだけでなく、どこに行くのかを知ることはほぼ不可能になる可能性があり、それは材料の特性に関しては特に当てはまります。

科学者たちは何十年にもわたって、バルク材料は特定の挙動をするが、マイクロスケールやナノスケールの材料ではそれらの法則が、しばしば驚くべき形で崩れる可能性があることを理解していました。 それらの驚きの 1 つは、一部の材料では、弾性ひずみ工学として知られる概念である弾性ひずみ工学として知られる概念を材料に適用すると、そのひずみが弾性を維持し、塑性、破壊、または変形によって緩和しない限り、特定の特性を劇的に改善できるという発見でした。相転移。 マイクロおよびナノスケールの材料は、加えられたひずみを弾性形状で保持するのに特に優れています。

しかし、これらの弾性ひずみ (または同等の残留応力) を適用して特定の材料特性を実現する正確な方法は、最近まであまり明確ではありませんでした。

MITの研究チームは、第一原理計算と機械学習を組み合わせて、結晶材料を調整して特定の熱的および電子的特性を生み出す方法を示す史上初のマップを開発した。

によって導かれて ジュ・リ原子力工学のバテル・エネルギー・アライアンスの教授であり、材料科学および工学の教授であるこのチームは、材料の弾性ひずみを変更することで熱や電気伝導率などの特性をどのように微調整できるかを正確に理解するためのフレームワークについて説明しました。 この研究は、 PNAS。

「機械学習を使用することで初めて、弾性ひずみ工学の上限である理想的な強度の完全な 6 次元境界を描写し、これらの電子特性と音響特性のマップを作成することができました。」李さんは言う。 「このアプローチを使用して、他の多くの材料を調査できるようになりました。 伝統的に、人々は化学を変化させることによって新しい材料を作成します。」

「たとえば、三元合金の場合、2 つの元素の割合を変更できるため、2 つの自由度が得られます」と彼は続けます。 「私たちが示したのは、1 つの元素だけを含むダイヤモンドは 6 成分合金と同等であるということです。なぜなら、独立して調整できる 6 つの弾性ひずみの自由度があるからです。」

小さな負担で大きな物質的メリット

この論文は、わずか 1% の小さな弾性ひずみが材料に加わると半導体材料の性能が 2 倍になることを研究者らが初めて発見した 1980 年代にまで遡って築かれた基礎に基づいています。

この発見は半導体業界によってすぐに商品化され、今日ではラップトップから携帯電話に至るまであらゆるものに搭載されているマイクロチップの性能を向上させるために使用されていますが、その負担のレベルは現在達成できるものに比べれば非常に小さいと、ヴァネヴァー・ブッシュ教授のサブラ・スレシュ氏は述べています。工学名誉博士号。

2018年に 科学 論文、Suresh、Daoらは、1パーセントのひずみは氷山の一角にすぎないことを実証した。

2018年の研究の一環として、Sureshらは、ダイヤモンドナノニードルが9パーセントもの弾性ひずみに耐え、なおかつ元の状態に戻ることができることを初めて実証した。 その後、いくつかのグループが独立して、マイクロスケールのダイヤモンドが実際に張力下で約 7% 可逆的に弾性変形できることを確認しました。

「ナノスケールのダイヤモンドを曲げて 9 ～ 10 パーセント程度のひずみを生み出すことができることを示した後、問題はそれをどうするかということでした」とスレッシュ氏は言います。 「ダイヤモンドは非常に優れた半導体材料であることがわかりました…そして私たちの質問の 1 つは、ダイヤモンドを機械的にひずませることができれば、バンドギャップを 5.6 電子ボルトから 2 または 3 に減らすことができるでしょうか? それとも、金属のように伝導し始めるゼロまで下げることができるのでしょうか?」

これらの質問に答えるために、チームはまず機械学習に目を向け、ひずみが材料特性をどのように変化させるかをより正確に把握することに努めました。

「緊張は大きな空間です」とリーは説明します。 「引張ひずみ、せん断ひずみを複数の方向に加えることができるので、それは 6 次元空間であり、フォノンバンドは 3 次元であるため、合計 9 つの調整可能なパラメーターがあります。 そこで、私たちは初めて機械学習を使用して、電子的特性と音的特性をナビゲートし、境界を特定するための完全なマップを作成しています。」

その後、チームはそのマップを利用して、ひずみを利用してダイヤモンドの半導体特性を劇的に変える方法を実証しました。

「ダイヤモンドは電子材料のエベレストのようなものです」とリー氏は言います。「ダイヤモンドは非常に高い熱伝導率、非常に高い絶縁破壊強度、非常に大きなキャリア移動度を備えているからです。 私たちが示したのは、エベレスト山を制御可能に押しつぶすことができるということです…つまり、ひずみ工学によってダイヤモンドの熱伝導率を 2 倍改善することも、20 倍もさらに悪化させることもできることを示しました。」

新しい地図、新しいアプリケーション

将来的には、この発見は、劇的に低下した熱伝導率から超伝導性に至るまで、多くの珍しい材料特性を調査するために使用できる可能性があるとリー氏は述べています。

「実験的には、これらの特性はナノニードルやマイクロブリッジでさえもすでに利用可能です」と彼は言います。 「そして、ダイヤモンド（熱伝導率）をメートルケルビンあたりわずか数百ワットに低下させるなど、珍しい特性も見てきました。 最近、水素化物を数百ギガパスカルまで圧縮すれば、室温の超伝導体を生成できることが示されました。そのため、マップを入手すると、あらゆる種類の珍しい挙動が発見されました。」

この結果は、今日のプロセッサーよりもはるかに高速かつ低温で動作する次世代コンピューターチップや、量子センサーや通信デバイスの設計にも影響を与える可能性がある。 半導体製造業界がますます高密度のアーキテクチャに移行するにつれて、材料の熱伝導率を調整する機能が熱放散にとって特に重要になるとスレシュ氏は述べています。

この論文は将来の世代のマイクロチップの設計に情報を与える可能性があるが、リー氏の研究室の博士研究員で論文の筆頭著者であるZhe Shi氏は、これらのチップが平均的なラップトップや携帯電話に搭載されるまでにはさらなる研究が必要だと述べている。

「1% の負荷で CPU のクロック速度が桁違いに向上する可能性があることはわかっています」と Shi 氏は言います。 「これを現実化するには、解決する必要のある製造上およびデバイス上の問題がたくさんありますが、これは間違いなく素晴らしいスタートだと思います。 これはテクノロジーの大幅な進歩につながる可能性のあるエキサイティングな始まりです。」

この研究は、国防脅威軽減庁、NSF大学院研究フェローシップ、南洋理工大学生物科学部、国立科学財団(NSF)、MITヴァネヴァー・ブッシュ教授、および南洋理工大学著名大学教授からの資金提供によって支援された。 。