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如果没有地图，您不仅无法知道自己在哪里，而且也无法知道自己要去哪里，在材料属性方面尤其如此。“图”或声子稳定性边界是一种图形表示，将晶体的稳定区域绘制为应变的函数。该图可帮助科学家和工程师确定材料可以存在于特定相的条件以及何时可能失效或转变到另一个相。通过分析声子稳定性边界，研究人员可以了解极端条件下的材料特性，并设计具有所需特性的新材料。
“图”或声子稳定性边界是一种图形表示，将晶体的稳定区域绘制为应变的函数。该图可帮助科学家和工程师确定材料可以存在于特定相的条件以及何时可能失效或转变到另一个相。通过分析声子稳定性边界，研究人员可以了解极端条件下的材料特性，并设计具有所需特性的新材料。图片由研究人员/麻省理工学院提供
几十年来，科学家们已经了解到，虽然散装材料以某些方式表现，但这些规则对于微米和纳米尺度的材料来说可能会被打破，而且往往会以令人惊讶的方式被打破。其中一个令人惊讶的发现是，对于某些材料，即使施加适度的应变(一种称为弹性应变工程的概念)，也可以显着改善材料的某些性能，前提是这些应变保持弹性并且不会因塑性、断裂或变形而松弛。相变。微米级和纳米级材料特别擅长以弹性形式保持施加的应变。
然而，直到最近，究竟如何应用这些弹性应变(或等效的残余应力)来实现某些材料性能还不太清楚。
麻省理工学院的研究人员团队结合第一性原理计算和机器学习，开发了第一张关于如何调整晶体材料以产生特定热和电子特性的图。
在能源联盟核工程教授、材料科学与工程教授李巨的带领下，该团队描述了一个框架，用于准确理解改变材料的弹性应变如何微调导热性和导电性等特性。这项工作在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇开放获取论文中进行了描述。
“通过使用机器学习，我们第一次能够描绘出理想强度的完整六维边界，这是弹性应变工程的上限，并为这些电子和声子特性创建了一个映射，”李说。“我们现在可以使用这种方法来探索许多其他材料。传统上，人们通过改变化学成分来创造新材料。”
“例如，使用三元合金，您可以改变两种元素的百分比，因此您有两个自由度，”他继续说道。“我们已经证明，仅含有一种元素的金刚石相当于六组分合金，因为您有六个可以独立调整的弹性应变自由度。”
小应变，大物质效益
这篇论文的基础可以追溯到20世纪80年代，当时研究人员首次发现，当对材料施加很小(仅1%)的弹性应变时，半导体材料的性能会翻倍。
VannevarBush教授SubraSuresh表示，虽然这一发现很快被半导体行业商业化，并且如今被用来提高从笔记本电脑到手机等各种设备中微的性能，但与我们现在所能达到的水平相比，这种压力水平非常小。名誉工程学士。
在2018年《科学》杂志上的一篇论文中，Suresh、Dao和同事证明1%的应变只是冰山一角。
作为2018年研究的一部分，Suresh及其同事首次证明金刚石纳米可以承受高达9%的弹性应变，并且仍能恢复到原始状态。后来，几个小组独立证实，微型金刚石确实可以在张力下可逆地弹性变形约7%。
“一旦我们证明我们可以弯曲纳米级钻石并产生9%或10%的应变，问题就是，你能用它做什么，”苏雷什说。“事实证明，金刚石是一种非常好的半导体材料……我们的一个问题是，如果我们能够对金刚石进行机械应变，我们能否将带隙从电子伏特减少到2或3电子伏特?或者我们能把它一直降到零，让它开始像金属一样导电吗?”
为了回答这些问题，该团队首先转向机器学习，以更准确地了解应变如何改变材料特性。
“应变是一个很大的空间，”李解释道。“你可以有拉伸应变，也可以有多个方向的剪切应变，所以它是一个六维空间，而声子带是三维的，所以总共有九个可调参数。因此，我们第一次使用机器学习来创建一个完整的地图，用于导航电子和声子属性并识别边界。”
借助该图，该团队随后演示了如何利用应变来显着改变金刚石的半导体特性。
“金刚石就像电子材料中的珠穆朗玛峰，”李说，“因为它具有非常高的导热率、非常高的介电击穿强度、非常大的载流子迁移率。我们已经证明，我们可以可控地将珠穆朗玛峰压扁……因此，我们表明，通过应变工程，您可以将金刚石的导热率提高两倍，或者使其变得更差20倍。”
新地图，新应用
李说，展望未来，这些发现可用于探索一系列奇异的材料特性，从大幅降低的导热率到超导性。
“通过实验，这些特性已经可以通过纳米甚至微桥实现，”他说。“我们已经看到了奇异的特性，例如将金刚石的(导热率)降低到每米仅几百瓦开尔文。最近，人们已经证明，如果将氢化物压缩到几百吉帕，就可以用氢化物制造室温超导体，所以一旦我们有了这张图，我们就发现了各种奇异的行为。”
研究结果还可能影响下一代计算机以及量子传感器和通信设备的设计，这些的运行速度比当今的处理器更快、更低。Suresh表示，随着半导体制造行业转向越来越密集的架构，调整材料热导率的能力对于散热来说尤为重要。
虽然这篇论文可以为未来几代微的设计提供信息，但李实验室的博士后、论文的第一作者史哲表示，在这些进入普通笔记本电脑或手机之前，还需要做更多的工作。
“我们知道1%的压力可以使CPU的时钟速度提高一个数量级，”Shi说。“为了使这一目标成为现实，需要解决许多制造和设备问题，但我认为这绝对是一个很好的开始。这是一个令人兴奋的开始，可能会导致技术的重大进步。”
