據(jù) Nanowerk News 2 月 12 日?qǐng)?bào)道，來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)、美國(guó)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(kāi)發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這種算法可以預(yù)測(cè)材料應(yīng)變時(shí)性能的變化。

這項(xiàng)工作可能會(huì)為工程新材料帶來(lái)極大的潛力，新材料可能會(huì)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(guò)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(lái)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(lái)設(shè)計(jì)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(lái)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(shí)，結(jié)構(gòu)中的原子會(huì)受到擾動(dòng)，從而改變自身的特性，如導(dǎo)電、發(fā)熱或透光等都會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“應(yīng)變工程”。

傳統(tǒng)上，對(duì)于應(yīng)變工程效應(yīng)的研究方法依賴(lài)于材料試驗(yàn)和誤差實(shí)驗(yàn)以及有限元計(jì)算機(jī)建模。

作為這項(xiàng)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(bào)道說(shuō)，鉆石納米針可以彎曲和拉伸到 9%，這項(xiàng)結(jié)果令人驚訝，因?yàn)殂@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(dòng)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(zhǎng)，同時(shí)也是這項(xiàng)研究的第一作者，他這么說(shuō)到，我們的新方法使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)應(yīng)變對(duì)材料性能的影響，這使得在六維應(yīng)變空間中，對(duì)材料應(yīng)變無(wú)限組合的計(jì)算成為可能。

“現(xiàn)在我們有了這個(gè)相當(dāng)精確的方法，大大降低了計(jì)算的復(fù)雜性，”麻省理工學(xué)院工程系主任 Suresh 教授說(shuō)，“材料物理、人工智能、計(jì)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(duì)工業(yè)應(yīng)用中的科學(xué)知識(shí)具有重大影響。”

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(shuō)，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(huì)永久地影響和改變材料性能，但這時(shí)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(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整。

然而，因?yàn)榇嬖诟鞣N各樣的可能性，因此識(shí)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(gè)不同的維度中，每一個(gè)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(wú)限的梯度，因此，僅僅通過(guò)試驗(yàn)和錯(cuò)誤來(lái)探索是不切實(shí)際的。

“如果想繪制出整個(gè)彈性應(yīng)變空間，很快就會(huì)增長(zhǎng)到 1 億次計(jì)算，”材料科學(xué)和工程的 Li 教授說(shuō)。

在這項(xiàng)研究中，研究小組研究了應(yīng)變對(duì)帶隙的影響，帶隙是硅和金剛石半導(dǎo)體中的一個(gè)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(cè)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(yáng)能電池）的效率，增加光能的利用，同時(shí)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(wú)線電設(shè)備，以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和電力電子設(shè)備。

這項(xiàng)工作由一個(gè)多學(xué)科的研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)，包括來(lái)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(lái)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(lái)研究和預(yù)測(cè)材料的其他特性，如電子、光子和磁特性。

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