Tensão mecânica modifica propriedades dos materiais

Tensão mecânica modifica propriedades dos materiais 

  Aplicar um pouco de tensão a um pedaço de semicondutor ou outro material cristalino pode deformar o arranjo ordenado de átomos em sua estrutura o suficiente para causar mudanças dramáticas em suas propriedades, como a condução de eletricidade, a transmissão de luz ou a condução de calor.

   Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT, da Rússia e Cingapura encontraram maneiras de usar inteligência artificial para ajudar a prever e controlar essas mudanças, potencialmente abrindo novos caminhos de pesquisa em materiais avançados para futuros dispositivos de alta tecnologia.

  Os resultados aparecem esta semana no Proceedings of National Academy of Sciences , em um artigo de autoria do MIT, professor de ciência e engenharia nuclear e da ciência e engenharia de materiais Ju Li, cientista principal do MIT Ming Dao, e Zhe Shi, estudante de pós-graduação do MIT com Evgeni Tsymbalov e Alexander Shapeev no Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia na Rússia, e Subra Suresh, o Professor Vannevar Bush emérito e ex-reitor de engenharia do MIT e atual presidente da Nanyang Technological University em Cingapura.

  Já com base em trabalhos anteriores no MIT, algum grau de tensão elástica foi incorporado em alguns chips de processadores de silício. Mesmo uma mudança de 1% na estrutura pode, em alguns casos, melhorar a velocidade do dispositivo em 50%, permitindo que os elétrons se movam pelo material mais rapidamente.

   Uma pesquisa recente de Suresh, Dao e Yang Lu, um ex-pós-doc do MIT, mostrou que até mesmo o diamante, o material mais forte e mais difícil encontrado na natureza, pode ser esticado elasticamente em até 9 por cento sem falha quando é na forma de agulhas de tamanho nanométrico. Li e Yang também demonstraram que fios de silício em nanoescala podem ser esticados de forma puramente elástica em mais de 15%. Essas descobertas abriram novos caminhos para explorar como os dispositivos podem ser fabricados com mudanças ainda mais dramáticas nas propriedades dos materiais.

Tensão feita por encomenda

   Ao contrário de outras maneiras de alterar as propriedades de um material, como o doping químico, que produz uma mudança permanente e estática, a engenharia de deformação permite que as propriedades sejam alteradas rapidamente. "Strain é algo que você pode ligar e desligar dinamicamente", diz Li.

  Mas o potencial dos materiais de engenharia de tensão tem sido dificultado pela assustadora gama de possibilidades. A cepa pode ser aplicada de seis maneiras diferentes (em três dimensões diferentes, cada uma das quais pode produzir tensão para dentro e para fora ou para os lados) e com gradações de grau quase infinitas, portanto, a gama completa de possibilidades é impraticável para explorar simplesmente por tentativa e erro. "Ele cresce rapidamente para 100 milhões de possibilidades, se quisermos mapear todo o espaço de tensão elástica", diz Li.

  É aí que a nova aplicação dessa equipe de métodos de aprendizado de máquina vem em seu socorro, fornecendo uma maneira sistemática de explorar as possibilidades e orientar-se na quantidade e direção apropriadas de tensão para alcançar um determinado conjunto de propriedades para uma finalidade específica. "Agora temos esse método de alta precisão" que reduz drasticamente a complexidade dos cálculos necessários, diz Li.

   "Este trabalho é uma ilustração de como avanços recentes em campos aparentemente distantes como física de materiais, inteligência artificial, computação e aprendizado de máquina podem ser reunidos para avançar o conhecimento científico que tem fortes implicações para a aplicação industrial", diz Suresh.

   O novo método, dizem os pesquisadores, poderia abrir possibilidades para a criação de materiais ajustados precisamente para dispositivos eletrônicos, optoeletrônicos e fotônicos que poderiam encontrar usos para aplicações de comunicações, processamento de informações e energia.

   A equipe estudou os efeitos da tensão sobre o bandgap, uma propriedade eletrônica chave dos semicondutores, tanto no silício quanto no diamante. Usando seu algoritmo de rede neural, eles foram capazes de prever com alta precisão como diferentes quantidades e orientações de tensão afetariam o bandgap.

   O "ajuste" de um bandgap pode ser uma ferramenta-chave para melhorar a eficiência de um dispositivo, como uma célula solar de silício, fazendo com que ele corresponda com mais precisão ao tipo de fonte de energia que é projetado para aproveitar. Ao ajustar o seu bandgap, por exemplo, pode ser possível fazer uma célula solar de silício que seja tão eficaz em captar a luz solar quanto suas contrapartes, mas tenha apenas um milésimo de espessura. Em teoria, o material "pode ​​até mudar de um semicondutor para um metal, e isso teria muitas aplicações, se isso for possível em um produto produzido em massa", diz Li.

   Embora seja possível, em alguns casos, induzir mudanças semelhantes por outros meios, como colocar o material em um campo elétrico forte ou alterá-lo quimicamente, essas alterações tendem a ter muitos efeitos colaterais no comportamento do material, enquanto a alteração da tensão tem menos esse lado efeitos. Por exemplo, explica Li, um campo eletrostático muitas vezes interfere com o funcionamento do dispositivo porque afeta a maneira como a eletricidade flui através dele. Alterar a tensão não produz tal interferência.

O potencial do diamante

  O diamante tem um grande potencial como material semicondutor, embora ainda esteja engatinhando em comparação com a tecnologia de silício. "É um material extremo, com alta mobilidade transportadora", diz Li, referindo-se à forma como os portadores negativos e positivos da corrente elétrica se movem livremente através do diamante. Por causa disso, o diamante pode ser ideal para alguns tipos de dispositivos eletrônicos de alta frequência e para eletrônica de potência.

   Por algumas medidas, diz Li, o diamante poderia potencialmente ser 100 mil vezes melhor que o silício. Mas tem outras limitações, incluindo o fato de que ninguém ainda descobriu uma maneira boa e escalonável de colocar camadas de diamante em um substrato grande. O material também é difícil de "drenar", ou introduzir outros átomos, uma parte fundamental da fabricação de semicondutores.

  Ao montar o material em uma armação que pode ser ajustada para alterar a quantidade e a orientação da deformação, Dao diz que "podemos ter considerável flexibilidade" ao alterar seu comportamento dopante.

   Considerando que este estudo focou especificamente nos efeitos da tensão na banda de materiais, "o método é generalizável" para outros aspectos, que afetam não apenas as propriedades eletrônicas, mas também outras propriedades, como o comportamento fotônico e magnético, diz Li. A partir da tensão de 1% que agora está sendo usada em chips comerciais, muitas novas aplicações se abrem agora que esta equipe mostrou que cepas de quase 10% são possíveis sem fraturar. "Quando você chega a mais de 7 por cento de tensão, você realmente muda muito no material", diz ele.

   "Este novo método poderia levar ao design de propriedades de material sem precedentes", diz Li.    "Mas muito mais trabalho será necessário para descobrir como impor a tensão e como escalar o processo para fazer isso em 100 milhões de transistores em um chip [e garantir que] nenhum deles possa falhar."

Artigo:

Zhe Shi, Evgenii Tsymbalov, Ming Dao, Subra Suresh, Alexander Shapeev, and Ju Li. Deep elastic strain engineering of bandgap through machine learning. PNAS, 2019 DOI: 10.1073/pnas.1818555116

Fonte:

www.sciencedaily.com