有史以来第一个完整的弹性应变工程图

如果没有地图，几乎不可能不仅知道你在哪里，而且知道你要去哪里，这在材料属性方面尤其如此。

几十年来，科学家们已经明白，虽然散装材料以某种方式表现，但这些规则可以在微米和纳米尺度上分解材料，而且往往以令人惊讶的方式分解。其中一个令人惊讶的发现是，对于某些材料来说，即使是适度的应变（一个称为弹性应变工程的概念）也可以显着改善某些性能，前提是这些应变保持弹性并且不会因塑性、断裂或相变而松弛。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，究竟如何应用这些弹性应变（或等效的残余应力）来实现某些材料特性，直到最近才变得不那么清楚。

麻省理工学院的一组研究人员结合了第一性原理计算和机器学习，开发了有史以来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谱。

在巴特尔能源联盟核工程教授、材料科学与工程教授Ju Li的带领下，该团队描述了一个框架，用于精确理解改变材料上的弹性应变如何微调热导率和导电性等特性。这项工作在PNAS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，我们首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张图，”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，对于三元合金，你可以改变两种元素的百分比，所以你有两个自由度，”他继续说道。“我们已经证明，金刚石，只有一种元素，相当于六组分合金，因为你有六度的弹性应变自由度，你可以独立调整。

小应变，大材料效益

这篇论文建立在早在1980年代奠定的基础之上，当时研究人员首次发现，当对半导体材料施加很小的弹性应变（仅为1%）时，半导体材料的性能会翻倍。

虽然这一发现很快被半导体行业商业化，今天被用于提高从笔记本电脑到手机的所有微芯片的性能，但与我们现在所能达到的水平相比，这种压力水平非常小，Vannevar Bush工程名誉教授Subra Suresh说。

在2018年发表在《科学》杂志上的一篇论文中，Suresh、Dao及其同事证明，1%的菌株只是冰山一角。

作为2018年研究的一部分，Suresh及其同事首次证明，金刚石纳米针可以承受高达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，微尺度金刚石确实可以在可逆的张力下弹性变形约7%。

“一旦我们证明我们可以弯曲纳米级钻石并产生大约9%或10%的应变，问题就是，你用它做什么，”Suresh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，如果我们能对金刚石进行机械应变，我们能不能将带隙从5.6电子伏特减少到2或3伏特？或者我们能不能把它一直降到零，在那里它开始像金属一样导电？

为了回答这些问题，该团队首先转向机器学习，以更精确地了解应变如何改变材料特性。

“压力是一个很大的空间，”李解释道。“你可以有拉伸应变，你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，我们首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。

有了这张图谱，该团队随后展示了如何利用应变来显着改变钻石的半导体特性。

“金刚石就像电子材料的珠穆朗玛峰，”李说，“因为它具有非常高的导热性，非常高的介电击穿强度，非常大的载流子迁移率。我们所展示的是，我们可以控制地将珠穆朗玛峰压扁……因此，我们证明，通过应变工程，您可以将金刚石的导热系数提高两倍，也可以将其降低 20 倍。

新地图，新应用

展望未来，这些发现可用于探索一系列奇异的材料特性，Li说，从显着降低的热导率到超导性。

“从实验上讲，这些特性已经可以通过纳米针甚至微桥获得，”他说。“我们已经看到了奇特的特性，比如将金刚石的（导热系数）降低到每米几百瓦开尔文。最近，人们已经证明，如果你把它们压缩到几百千兆帕，你可以用氢化物生产室温超导体，所以一旦我们有了地图，我们就发现了各种奇异的行为。

这些结果还可能影响下一代计算机芯片的设计，这些芯片能够比今天的处理器以及量子传感器和通信设备运行得更快、更冷。随着半导体制造业向越来越密集的架构发展，Suresh表示，调整材料导热系数的能力对于散热尤为重要。

虽然这篇论文可以为未来几代微芯片的设计提供信息，但李实验室的博士后、该论文的第一作者史哲表示，在这些芯片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。“为了让这成为现实，有很多制造和设备问题需要解决，但我认为这绝对是一个好的开始。这是一个激动人心的开端，可能会导致技术取得重大进步。

这项工作得到了国防威胁减少局、NSF 研究生研究奖学金、南洋理工大学生物科学学院、美国国家科学基金会 （NSF）、麻省理工学院 Vannevar Bush 教授职位和南洋理工大学杰出大学教授职位的资助。