Сотрудники Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ создали ИИ-алгоритм, способный за несколько дней предсказать свойства перспективных двумерных материалов, что раньше требовало месяцев лабораторных исследований. При этом, алгоритм учитывает состав материала и тип подложки. Такая возможность значительно ускоряет разработку гибких дисплеев, высокопроизводительных процессоров и медицинских сенсоров. О результатах работы было сообщено в журнале NPJ Computational Materials.
«Впервые в нашем алгоритме учтено ключевое влияние подложки, что позволяет в десятки раз ускорить разработку устройств наноэлектроники нового поколения: гибких и прозрачных дисплеев, высокочувствительных сенсоров для применения в медицине и экологии, аккумуляторов с повышенной ёмкостью и квантовых устройств. Ранее определение наиболее подходящей комбинации «материал-подложка» занимало месяцы экспериментов, однако теперь тысячи вариантов можно проанализировать всего за несколько дней!» — пояснил Иван Круглов, руководитель лаборатории Центра фотоники и 2D-материалов Московского физико-технического института.
Двумерные материалы – это соединения, в которых атомы располагаются в одной плоскости, формируя крупную структуру, толщиной сравнимой с одним или несколькими атомами. Благодаря своей исключительной тонкости, они демонстрируют уникальные характеристики, отсутствующие у трехмерных аналогов.
Графен – наиболее известный из этих материалов. Благодаря способности электронов перемещаться в нем с минимальным сопротивлением, он считается одним из лучших проводников электричества. Однако, при нанесении на обычную кремниевую основу его электропроводность значительно снижается.
Учет подобных эффектов критически важен уже на стадии разработки материалов. Однако, имеющиеся модели позволяют прогнозировать структуру только для отдельно расположенных двумерных материалов. Расчеты основаны на использовании масштабных вычислительных моделей, которые требуют значительных ресурсов и времени, что вынуждает экспериментаторов методом проб и ошибок подбирать подходящую подложку, затрачивая на это продолжительное время.
Разработанный подход к расчётам объединяет искусственный интеллект и принципы фундаментальной физики для прогнозирования структуры не только отдельных двумерных материалов, но и всей системы «материал-подложка» в целом. Это позволяет не только определить, как будет взаимодействовать определённый двумерный материал с подложкой, но и выбрать оптимальный вариант из всех доступных.
Алгоритм функционирует следующим образом: сначала создаются различные комбинации «материал-подложка», затем их структура оптимизируется с использованием межатомного потенциала, обученного методами машинного обучения, после чего выбираются наиболее подходящие варианты и проводится финальный анализ стабильности полученных структур.
«Принцип действия нашего алгоритма основан на естественном отборе. Изначально он создает тысячи случайных комбинаций «материал-подложка». Далее, межатомный потенциал, разработанный с использованием машинного обучения (MLIP), определяет их устойчивость. После этого наиболее перспективные варианты подвергаются окончательной проверке посредством квантово-механических расчетов. Такой подход позволяет находить решения за считанные дни, тогда как ранее на это уходили годы», — рассказал Иван Круглов, руководитель лаборатории Центра фотоники и 2D-материалов Московского физико-технического института.
Проверка работоспособности алгоритма была проведена путем определения характеристик системы, состоящей из молибдена и серы (Mo-S), на подложке из сапфира (Al₂O₃). В процессе работы алгоритм не только воспроизвел уже известную структуру, но и выявил несколько принципиально новых.
Поиск подходящего материала — лишь один из этапов. Не менее значимо предугадать, каким образом его можно будет получить на практике. С этой целью исследователи воспроизвели условия, необходимые для формирования двумерного материала, и разработали руководство по его синтезу.
Ученые не только спрогнозировали появление новых материалов, но и создали замкнутый цикл: от компьютерной модели до готовой технологической документации. Это кардинально меняет подход в материаловедении, переходя от периода случайных открытий к эпохе разработки материалов будущего по заданному плану.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ