如果沒有地圖，就幾乎不可能知道您在哪裡，而且知道您要去哪裡，在材料屬性方面尤其如此。

幾十年來，科學家已經了解到，雖然散裝材料以某些方式表現，但這些規則對於微米和奈米尺度的材料來說可能會被打破，而且往往會以令人驚訝的方式被打破。其中一個令人驚訝的發現是，對於某些材料，即使是適度的應變（稱為彈性應變工程的概念）也可以顯著改善材料的某些性能，前提是這些應變保持彈性並且不會因塑性、斷裂而鬆弛。微米級和奈米級材料特別擅長以彈性形式保持施加的應變。

然而，直到最近，究竟如何應用這些彈性應變（或等效的殘餘應力）來實現某些材料特性還不太清楚。

結合使用第一原理計算和機器學習麻省理工學院的一組研究人員開發了第一張關於如何調整晶體材料以產生特定熱和電子特性的圖。

在巴特爾能源聯盟核子工程教授兼材料科學與工程教授李鉅的帶領下，團隊描述了一個框架，用於準確理解改變材料的彈性應變如何微調熱性能和熱性能等性能。電導率。這項工作在一篇開放取用論文中進行了描述發表在美國國家科學院院刊。

「透過使用機器學習，我們第一次能夠描繪出理想強度的完整六維邊界，這是彈性應變工程的上限，並為這些電子和聲子特性創建了一個映射，」李說。“我們現在可以使用這種方法來探索許多其他材料。傳統上，人們通過改變化學成分來創造新材料。”

「例如，使用三元合金，您可以改變兩種元素的百分比，因此您有兩個自由度，」他繼續說道。“我們已經證明，僅含有一種元素的鑽石相當於六組分合金，因為您有六個可以獨立調整的彈​​性應變自由度。”

小應變，大物質效益

這篇論文的基礎可以追溯到 20 世紀 80 年代，當時研究人員首次發現，當對材料施加很小（僅 1%）的彈性應變時，半導體材料的性能會翻倍。

雖然這項發現很快就被商業化半導體產業Vannevar Bush 工程榮譽教授 Subra Suresh 表示，如今微晶片被用來提高從筆記型電腦到手機等各種設備中微晶片的性能，與我們現在所能達到的水平相比，這種壓力非常小。

在 2018 年科學論文、Suresh、Dao 和同事證明了 1% 的應變這只是冰山一角。

作為 2018 年研究的一部分，Suresh 及其同事首次證明鑽石奈米針可以承受高達 9% 的彈性應變，並且仍能恢復到原始狀態。後來，幾個小組獨立證實，微型鑽石確實可以在張力下可逆地彈性變形約 7%。

「一旦我們證明我們可以彎曲奈米級鑽石並產生 9% 或 10% 的應變，問題就是，你可以用它做什麼，」蘇雷什說。「事實證明，鑽石是一種非常好的半導體材料……我們的一個問題是，如果我們能夠對鑽石進行機械應變，我們是否可以將帶隙從5.6 電子伏特減少到2 或3 電子伏特？或者我們可以得到這一切嗎？

為了回答這些問題，團隊首先轉向機器學習，以更準確地了解應變如何改變材料特性。

「應變是一個很大的空間，」李解釋道。「你可以有拉伸應變，也可以有多個方向的剪切應變，所以它是一個六維空間，而聲子帶是三維的，所以總共有九個可調參數。所以，我們正在使用機器學習，第一次創建一個完整的地圖來導航電子和聲子屬性並識別邊界。

借助該圖，該團隊隨後演示瞭如何利用應變來顯著改變鑽石的半導體特性。

「鑽石就像電子材料中的珠穆朗瑪峰，」李說，「因為它具有非常高導熱率，非常高的介電擊穿強度，非常大的載子遷移率。我們已經證明，我們可以可控地將珠穆朗瑪峰壓扁……因此我們表明，通過應變工程，您可以將鑽石的導熱率提高兩倍，或者使其變得更差 20 倍。

新地圖，新應用

李說，展望未來，這些發現可用於探索一系列奇怪的材料特性，從大幅降低的導熱率到超導性。

「透過實驗，這些特性已經可以透過奈米針甚至微橋來實現，」他說。「我們已經看到了奇怪的特性，例如將鑽石的（導熱率）降低到每米開爾文幾百瓦。最近，人們已經證明，如果將氫化物壓縮到幾百吉帕，就可以用氫化物生產室溫超導體，所以一旦我們有了地圖，我們就發現了各種奇怪的行為。

研究結果也可能影響下一代電腦晶片以及量子感測器和通訊設備的設計，這些晶片的運行速度比當今的處理器更快、更低。Suresh 表示，隨著半導體製造業轉向越來越密集的架構，調整材料熱導率的能力對於散熱來說尤其重要。

雖然這篇論文可以為未來幾代微晶片的設計提供信息，但李實驗室的博士後、論文的第一作者史哲表示，在這些晶片進入普通筆記型電腦或手機之前，還需要做更多的工作。

「我們知道 1% 的壓力可以讓 CPU 的時脈速度提高一個數量級，」Shi 說。“為了使這一目標成為現實，需要解決許多製造和設備問題，但我認為這絕對是一個很好的開始。這是一個令人興奮的開始，可能會導致技術的重大進步。”

這個故事由麻省理工學院新聞轉載（web.mit.edu/新聞辦公室/），一個熱門網站，涵蓋有關麻省理工學院研究、創新和教學的新聞。