Appliquer juste un peu de contrainte à un morceau de semi-conducteur ou d'un autre matériau cristallin peut déformer suffisamment l'arrangement ordonné des atomes dans sa structure pour provoquer des changements spectaculaires dans ses propriétés, comme la façon dont il conduit l'électricité, transmet la lumière, ou conduit la chaleur.

Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT et en Russie et à Singapour ont trouvé des moyens d'utiliser l'intelligence artificielle pour aider à prédire et contrôler ces changements, ouvrant potentiellement de nouvelles voies de recherche sur les matériaux avancés pour les futurs appareils de haute technologie.

Les résultats paraissent cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , dans un article rédigé par Ju Li, professeur de science et d'ingénierie nucléaires et de science et ingénierie des matériaux, Chercheur principal du MIT Ming Dao, et l'étudiant diplômé du MIT Zhe Shi, avec Evgeni Tsymbalov et Alexander Shapeev à l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo en Russie, et Subra Suresh, le professeur émérite Vannevar Bush et ancien doyen de l'ingénierie au MIT et actuel président de l'Université technologique de Nanyang à Singapour.

Déjà, basé sur des travaux antérieurs au MIT, un certain degré de contrainte élastique a été incorporé dans certaines puces de processeur en silicium. Même un changement de 1% dans la structure peut dans certains cas améliorer la vitesse de l'appareil de 50%, en permettant aux électrons de se déplacer plus rapidement à travers le matériau.

Des recherches récentes de Suresh, Dao, et Yang Lu, un ancien post-doctorant du MIT maintenant à la City University of Hong Kong, a montré que même le diamant, le matériau le plus solide et le plus dur trouvé dans la nature, peut être étiré élastiquement jusqu'à 9 pour cent sans défaillance lorsqu'il se présente sous la forme d'aiguilles de taille nanométrique. Li et Yang ont également démontré que les fils nanométriques de silicium peuvent être étirés purement élastiquement de plus de 15 %. Ces découvertes ont ouvert de nouvelles voies pour explorer comment les dispositifs peuvent être fabriqués avec des changements encore plus spectaculaires dans les propriétés des matériaux.

Souche faite sur commande

Contrairement à d'autres façons de modifier les propriétés d'un matériau, comme le dopage chimique, qui produisent une permanente, changement statique, l'ingénierie des contraintes permet de modifier les propriétés à la volée. "La tension est quelque chose que vous pouvez activer et désactiver dynamiquement, " dit Li.

Mais le potentiel des matériaux issus de l'ingénierie des contraintes a été entravé par l'immense éventail de possibilités. La contrainte peut être appliquée de six manières différentes (dans trois dimensions différentes, chacun d'eux peut produire une contrainte d'entrée et de sortie ou latéralement), et avec des gradations de degré presque infinies, il n'est donc pas pratique d'explorer l'éventail complet des possibilités simplement par essais et erreurs. "Cela passe rapidement à 100 millions de calculs si nous voulons cartographier l'ensemble de l'espace de déformation élastique, " dit Li.

C'est là que la nouvelle application des méthodes d'apprentissage automatique de cette équipe vient à la rescousse, fournissant un moyen systématique d'explorer les possibilités et de se concentrer sur la quantité et la direction de contrainte appropriées pour atteindre un ensemble donné de propriétés dans un but particulier. "Maintenant nous avons cette méthode de très haute précision" qui réduit drastiquement la complexité des calculs nécessaires, dit Li.

"Ce travail est une illustration de la façon dont les progrès récents dans des domaines apparemment lointains tels que la physique des matériaux, intelligence artificielle, l'informatique, et l'apprentissage automatique peuvent être réunis pour faire progresser les connaissances scientifiques qui ont de fortes implications pour les applications industrielles, " dit Suresh.

La nouvelle méthode, disent les chercheurs, pourrait ouvrir des possibilités de création de matériaux conçus précisément pour l'électronique, optoélectronique, et les dispositifs photoniques qui pourraient trouver des utilisations pour les communications, traitement d'informations, et applications énergétiques.

L'équipe a étudié les effets de la contrainte sur la bande interdite, une propriété électronique clé des semi-conducteurs, en silicium et en diamant. En utilisant leur algorithme de réseau neuronal, ils ont pu prédire avec une grande précision comment différentes quantités et orientations de contrainte affecteraient la bande interdite.

Le "réglage" d'une bande interdite peut être un outil clé pour améliorer l'efficacité d'un appareil, comme une cellule solaire au silicium, en l'amenant à correspondre plus précisément au type de source d'énergie qu'il est conçu pour exploiter. En ajustant sa bande interdite, par exemple, il est peut-être possible de fabriquer une cellule solaire en silicium qui soit tout aussi efficace pour capturer la lumière du soleil que ses homologues, mais qui n'a qu'un millième d'épaisseur. En théorie, le matériau "peut même passer d'un semi-conducteur à un métal, et qui aurait de nombreuses applications, si c'est faisable dans un produit de masse, " dit Li.

Bien qu'il soit possible dans certains cas d'induire des changements similaires par d'autres moyens, comme mettre le matériau dans un fort champ électrique ou le modifier chimiquement, ces changements ont tendance à avoir de nombreux effets secondaires sur le comportement du matériau, alors que changer la souche a moins de tels effets secondaires. Par exemple, Li explique, un champ électrostatique interfère souvent avec le fonctionnement de l'appareil car il affecte la façon dont l'électricité le traverse. Changer la souche ne produit pas une telle interférence.

Le potentiel du diamant

Le diamant a un grand potentiel en tant que matériau semi-conducteur, bien qu'il en soit encore à ses balbutiements par rapport à la technologie du silicium. "C'est un matériau extrême, avec une grande mobilité des porteurs, " Li dit, se référant à la façon dont les porteurs négatifs et positifs du courant électrique se déplacent librement à travers le diamant. À cause de ça, le diamant pourrait être idéal pour certains types d'appareils électroniques à haute fréquence et pour l'électronique de puissance.

Par certaines mesures, Li dit, le diamant pourrait potentiellement effectuer 100, 000 fois mieux que le silicium. Mais il a d'autres limites, y compris le fait que personne n'a encore trouvé un moyen efficace et évolutif de placer des couches de diamant sur un grand substrat. Le matériau est également difficile à « doper, " ou introduire d'autres atomes dans, un élément clé de la fabrication de semi-conducteurs.

En montant le matériau dans un cadre qui peut être ajusté pour changer la quantité et l'orientation de la contrainte, Dao dit, « nous pouvons avoir une flexibilité considérable » pour modifier son comportement de dopant.

Alors que cette étude portait spécifiquement sur les effets de la contrainte sur la bande interdite des matériaux, "la méthode est généralisable" à d'autres aspects, qui affectent non seulement les propriétés électroniques mais aussi d'autres propriétés telles que le comportement photonique et magnétique, dit Li. De la souche de 1 pour cent actuellement utilisée dans les puces commerciales, de nombreuses nouvelles applications s'ouvrent maintenant que cette équipe a montré que des souches de près de 10 pour cent sont possibles sans fracture. « Quand vous atteignez plus de 7 % de tension, vous changez vraiment beaucoup de matière, " il dit.

"Cette nouvelle méthode pourrait potentiellement conduire à la conception de propriétés de matériaux sans précédent, " dit Li. " Mais beaucoup de travail supplémentaire sera nécessaire pour comprendre comment imposer la contrainte et comment étendre le processus pour le faire sur 100 millions de transistors sur une puce [et s'assurer qu'] aucun d'entre eux ne peut échouer. "