Метод управления деформацией полупроводников приблизит создание электроники следующего поколения — Naked Science
14 июля
Сколтех
1

Метод управления деформацией полупроводников приблизит создание электроники следующего поколения

4.5

Исследователи Сколтеха и их коллеги из США и Сингапура создали нейронную сеть, с помощью которой можно настраивать свойства полупроводниковых кристаллов и получать компоненты для электроники с непревзойденными характеристиками. Эта работа открывает новое направление в разработке микросхем и солнечных элементов следующего поколения за счет использования контролируемой деформации, с помощью которой можно буквально «на лету» менять свойства материала.

Метод управления деформацией полупроводников приблизит создание электроники следующего поколения / ©Getty images

Статья с описанием результатов исследования опубликована в журнале npj Computational Materials. Наноматериалы довольно успешно выдерживают интенсивные деформации. Находясь в деформированном состоянии, они проявляют необычные оптические, тепловые, электронные и другие свойства, связанные с изменениями в межатомных расстояниях. Деформация может также изменять проводимость материала: например, известный полупроводниковыми свойствами кремний в деформированном состоянии превращается в эффективный проводник.

Кроме того, оказалось, что свойства материала можно менять по мере необходимости, варьируя степень деформации. Эта концепция положила начало целому направлению исследований − инжинирингу упругих деформаций (ESE). Новый подход может стать выходом из положения по мере неуклонного приближения предела эффективности микросхем по закону Мура.

Еще одна область, в которой можно использовать данный метод – разработка солнечных элементов. «Это позволяет создавать элементы с настраиваемыми свойствами, которые можно менять по мере необходимости для максимизации производительности и адаптации к внешним условиям», – поясняет соавтор исследования Александр Шапеев.

В своей предыдущей работе выпускник аспирантуры и постдок Сколтеха Евгений Цымбалов, доцент Сколтеха Александр Шапеев и их коллеги с помощью метода ESE преобразовали алмазные наноиглы из изолятора в высокопроводящий металлоподобный материал, что свидетельствует о широких прикладных возможностях технологии. В своем новом исследовании ученые представили архитектуру сверточной нейронной сети, которая позволяет применять методы ESE для полупроводников.

«Созданная нами нейронная сеть использует в качестве входных данных тензор деформации и предсказывает электронную зонную структуру − это своего рода физический „снимок“, описывающий электронные свойства деформированного материала. Его можно использовать для расчета любых представляющих интерес свойств, включая ширину запрещенной зоны, ее свойства и тензор эффективных масс электрона», − поясняет Шапеев.

Эта работа продолжает и развивает предыдущие исследования. «Мы уже вышли за рамки использовавшихся ранее подходов. Нами разработана и внедрена специальная модель на основе архитектуры сверточной нейронной сети для решения задач ESE, − отмечает Цымбалов. – Для улучшения работы модели мы также учитываем физические свойства и симметрии».

В целях повышения точности и сходимости модели в предложенном методе используются различные источники данных: с одной стороны, это данные, не затратные в вычислительном отношении, но имеющие низкую точность, а с другой – вычислительно затратные, но точные.

«Еще одна отличительная особенность метода − активное обучение: наша модель самостоятельно определяет, какие данные целесообразнее всего получить на следующем этапе обучения, а затем обучается на них. На заключительном этапе сеть обучается на наборе вычислительно затратных данных, полученных методом точных GW-вычислений. С помощью этой процедуры нам удается уменьшить количество необходимых вычислений», − рассказывает Евгений Цымбалов.

Исследователи отмечают, что по сравнению с другими современными решениями созданная ими нейронная сеть «более универсальна, точна и эффективна с точки зрения обеспечения возможности автономного глубокого обучения применительно к электронной зонной структуре кристаллических твердых тел», что обеспечивает более высокую скорость и точность метода при поиске и оптимизации в пространстве деформации и, следовательно, получение оптимальных значений деформации для заданных показателей качества.

В предыдущей работе ученые протестировали более раннюю версию модели в серии экспериментов in situ с алмазом. «К сожалению, пока не придумано устройства, которое могло бы деформировать алмаз с произвольным тензором деформации в 6D, но некоторые научные коллективы и лаборатории уже ведут экспериментальные разработки в этом направлении», − комментирует Евгений Цымбалов.

Работа проводилась в рамках многолетнего сотрудничества между Сколтехом, Массачусетским технологическим институтом (США) и Наньянским технологическим университетом (Сингапур). В ходе проекта ученые Сколтеха занимались в основном вычислительными задачами и методами машинного обучения, а их зарубежные коллеги отвечали за физические аспекты исследования.

«Сегодня мы работаем над следующей статьей, в которой будут рассмотрены границы допустимых упругих деформаций. Важность этой темы обусловлена тем, что теоретические пределы безопасной упругой деформации для ESE пока еще не определены», − отмечает в заключение Евгений Цымбалов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Вчера, 17:42
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

9 часов назад
Василий Парфенов

Изучение загадочной короны черной дыры, образованной рентгеновским излучением, преподнесло интересное открытие. Космические телескопы XMM-Newton и NuSTAR смогли «увидеть» свет, отраженный веществом сразу позади невероятно массивного объекта. И хотя это очередной раз подтверждает общую теорию относительности, про основной объект исследований ученые почти не получили новых данных.

Вчера, 18:00
Сколтех

Исследователи Сколтеха и их коллеги изучили самый продолжительный на сегодня случай заболевания Covid-19 у пациентки с ослабленным иммунитетом, которая болела 318 дней. Исследование позволило выявить мутации, которые помогают коронавирусу SARS-CoV-2 избегать клеточного иммунитета.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

2 недели назад
-
0
+
И как удерживать в деф. состоянии, клеем, какая точность удержания, не вызывает ли это износ и разрушение?
Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: