Ohne eine Karte kann es nahezu unmöglich sein, nicht nur zu wissen, wo man sich befindet, sondern auch, wohin man geht, und das gilt insbesondere, wenn es um Materialeigenschaften geht.
Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass sich Massenmaterialien zwar auf bestimmte Weise verhalten, diese Regeln jedoch bei Materialien im Mikro- und Nanomaßstab oft auf überraschende Weise außer Kraft gesetzt werden können. Eine dieser Überraschungen war die Feststellung, dass bei einigen Materialien die Anwendung selbst geringfügiger Dehnungen – ein Konzept, das als Elastic-Dehnungs-Engineering bekannt ist – bestimmte Eigenschaften dramatisch verbessern kann, vorausgesetzt, dass diese Dehnungen elastisch bleiben und nicht durch Plastizität, Bruch usw. nachlassen Phasenumwandlungen. Mikro- und nanoskalige Materialien sind besonders gut darin, aufgebrachte Spannungen in der elastischen Form zu halten.
Wie genau diese elastischen Spannungen (oder gleichbedeutend die Eigenspannung) anzuwenden sind, um bestimmte Materialeigenschaften zu erreichen, war jedoch bis vor Kurzem weniger klar.
Mithilfe einer Kombination aus First-Prinzipien-Berechnungen und maschinellem Lernen hat ein Team von MIT-Forschern die erste Karte entwickelt, die zeigt, wie kristalline Materialien so abgestimmt werden können, dass sie spezifische thermische und elektronische Eigenschaften erzeugen.
Unter der Leitung von Ju Li, Professor für Nukleartechnik der Battelle Energy Alliance und Professor für Materialwissenschaften und -technik, beschrieb das Team einen Rahmen, um genau zu verstehen, wie eine Änderung der elastischen Spannungen eines Materials Eigenschaften wie thermische und elektrische Leitfähigkeit feinabstimmen kann. Die Arbeit wird in einem Open-Access-Artikel beschrieben, der in veröffentlicht wurde PNAS.
„Zum ersten Mal konnten wir mithilfe maschinellen Lernens die vollständige sechsdimensionale Grenze der idealen Festigkeit abgrenzen, die die Obergrenze der elastischen Dehnungstechnik darstellt, und eine Karte für diese elektronischen und phononischen Eigenschaften erstellen.“ Sagt Li. „Mit diesem Ansatz können wir nun viele weitere Materialien erforschen. Traditionell erschaffen Menschen neue Materialien, indem sie die Chemie verändern.“
„Bei einer ternären Legierung kann man beispielsweise den Anteil zweier Elemente ändern, sodass man zwei Freiheitsgrade hat“, fährt er fort. „Was wir gezeigt haben, ist, dass Diamant mit nur einem Element einer Sechskomponentenlegierung entspricht, weil es sechs Freiheitsgrade der elastischen Dehnung gibt, die man unabhängig voneinander abstimmen kann.“
Kleine Belastungen, große materielle Vorteile
Die Arbeit baut auf einer Grundlage auf, die bereits in den 1980er Jahren gelegt wurde, als Forscher erstmals entdeckten, dass sich die Leistung von Halbleitermaterialien verdoppelte, wenn eine kleine elastische Spannung von nur 1 Prozent auf das Material ausgeübt wurde.
Während diese Entdeckung schnell von der Halbleiterindustrie kommerzialisiert wurde und heute dazu verwendet wird, die Leistung von Mikrochips in allen möglichen Bereichen zu steigern, von Laptops bis hin zu Mobiltelefonen, ist dieser Belastungsgrad im Vergleich zu dem, was wir jetzt erreichen können, sehr gering, sagt Subra Suresh, Vannevar Bush-Professor emeritierter Ingenieur.
Im Jahr 2018 Wissenschaft In ihrer Arbeit zeigten Suresh, Dao und Kollegen, dass eine Belastung von 1 Prozent nur die Spitze des Eisbergs war.
Im Rahmen einer Studie aus dem Jahr 2018 zeigten Suresh und Kollegen erstmals, dass Diamant-Nanonadeln elastischen Dehnungen von bis zu 9 Prozent standhalten und trotzdem in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren können. Später bestätigten mehrere Gruppen unabhängig voneinander, dass sich Mikrodiamant tatsächlich um etwa 7 Prozent der Spannung reversibel elastisch verformen kann.
„Nachdem wir gezeigt hatten, dass wir nanoskalige Diamanten biegen und Verformungen in der Größenordnung von 9 oder 10 Prozent erzeugen konnten, stellte sich die Frage: Was macht man damit?“, sagt Suresh. „Es stellte sich heraus, dass Diamant ein sehr gutes Halbleitermaterial ist … und eine unserer Fragen war: Wenn wir Diamant mechanisch spannen können, können wir dann die Bandlücke von 5,6 Elektronenvolt auf zwei oder drei reduzieren? Oder können wir es ganz auf Null bringen, wo es anfängt, wie ein Metall zu leiten?“
Um diese Fragen zu beantworten, wandte sich das Team zunächst dem maschinellen Lernen zu, um ein genaueres Bild davon zu erhalten, wie Dehnung die Materialeigenschaften genau verändert.
„Beanspruchung ist ein großer Raum“, erklärt Li. „Man kann eine Zugspannung haben, man kann eine Scherspannung in mehreren Richtungen haben, es ist also ein sechsdimensionaler Raum, und das Phononenband ist dreidimensional, also gibt es insgesamt neun einstellbare Parameter. Daher nutzen wir zum ersten Mal maschinelles Lernen, um eine vollständige Karte zur Navigation durch die elektronischen und phononischen Eigenschaften zu erstellen und die Grenzen zu identifizieren.“
Anhand dieser Karte demonstrierte das Team anschließend, wie Spannung genutzt werden kann, um die Halbleitereigenschaften von Diamant dramatisch zu verändern.
„Diamant ist wie der Mt. Everest unter den elektronischen Materialien“, sagt Li, „weil er eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, eine sehr hohe dielektrische Durchschlagsfestigkeit und eine sehr große Ladungsträgermobilität aufweist.“ Was wir gezeigt haben, ist, dass wir den Mount Everest kontrolliert niederdrücken können … also zeigen wir, dass man durch Strain Engineering die Wärmeleitfähigkeit von Diamant entweder um den Faktor zwei verbessern oder sie um den Faktor 20 deutlich verschlechtern kann.“
Neue Karte, neue Anwendungen
Künftig könnten die Erkenntnisse genutzt werden, um eine Vielzahl exotischer Materialeigenschaften zu erforschen, sagt Li, von der drastisch reduzierten Wärmeleitfähigkeit bis hin zur Supraleitung.
„Experimentell sind diese Eigenschaften bereits mit Nanonadeln und sogar Mikrobrücken zugänglich“, sagt er. „Und wir haben exotische Eigenschaften gesehen, wie die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit von Diamanten auf nur wenige hundert Watt pro Meter Kelvin. Kürzlich hat man gezeigt, dass man mit Hydriden Supraleiter bei Raumtemperatur herstellen kann, wenn man sie auf ein paar hundert Gigapascal quetscht, also haben wir alle möglichen exotischen Verhaltensweisen gefunden, sobald wir die Karte haben.“
Die Ergebnisse könnten sich auch auf das Design von Computerchips der nächsten Generation auswirken, die viel schneller und kühler als heutige Prozessoren laufen können, sowie auf Quantensensoren und Kommunikationsgeräte. Während sich die Halbleiterfertigungsindustrie zu immer dichteren Architekturen bewegt, wird laut Suresh die Fähigkeit, die Wärmeleitfähigkeit eines Materials anzupassen, für die Wärmeableitung besonders wichtig sein.
Während die Arbeit Einfluss auf das Design zukünftiger Generationen von Mikrochips haben könnte, sagt Zhe Shi, Postdoktorandin in Lis Labor und Erstautorin der Arbeit, dass noch mehr Arbeit nötig sei, bevor diese Chips ihren Weg in einen durchschnittlichen Laptop oder ein Mobiltelefon finden.
„Wir wissen, dass eine Belastung von 1 Prozent die Taktrate Ihrer CPU um eine Größenordnung steigern kann“, sagt Shi. „Damit dies realistisch wird, müssen viele Herstellungs- und Geräteprobleme gelöst werden, aber ich denke, es ist auf jeden Fall ein guter Anfang. Es ist ein aufregender Anfang dessen, was zu bedeutenden Fortschritten in der Technologie führen könnte.“
Diese Arbeit wurde mit Mitteln der Defense Threat Reduction Agency, einem NSF Graduate Research Fellowship, der Nanyang Technological University School of Biological Sciences, der National Science Foundation (NSF), der MIT Vannevar Bush Professorship und einer Nanyang Technological University Distinguished University Professorship unterstützt .
