Материалы для искусственного интеллекта (ИИ) базируются на полупроводниковых и высокоорганизованных наноматериалах, способных эффективно преобразовывать и хранить информацию. Ключевое значение имеет кристаллическая структура, определяющая электрические, тепловые и оптические свойства. Трёхмерные решётки кремния, германия, а также оксидов металлов обеспечивают необходимую проводимость и высокую подвижность носителей заряда. В частности, кремний с модифицированными донорными и акцепторными примесями обеспечивает оптимальное соотношение между проводимостью и управляемой нелинейной реакцией на электрические поля.
Электронная структура материалов влияет на их способность к обработке сигналов и хранению данных. Полупроводники с узкой зоной проводимости обеспечивают высокую чувствительность к внешним воздействиям, что критично для нейроморфных систем и мемристоров. Использование двухмерных материалов, таких как графен и переходные дихалькогениды металлов (TMD), позволяет добиться высокой скорости переноса заряда и низкого энергопотребления при миниатюризации устройств.
Эффективность материалов ИИ напрямую зависит от наноструктурирования поверхности и внутренней микроструктуры. Квантовые точки, нанопроволоки, нанопластины и слоистые структуры обеспечивают точное управление потоком электронов и фотонов. Сверхтонкие пленки металлов и оксидов создают туннельные эффекты, критически важные для реализации мемристивных и спинтронных устройств.
Функциональные слои включают:
Наноструктурирование позволяет также контролировать дефекты решётки, которые выступают в роли локальных центров хранения заряда, используемых в нейроморфных схемах.
Для ИИ важны материалы, способные изменять свои свойства под действием внешних стимулов. К таким относятся:
Адаптивные свойства позволяют создавать нейроморфные сети с обучаемыми элементами, где материал сам корректирует электрические характеристики под внешние сигналы.
Материалы для ИИ должны обладать высокой теплопроводностью для отвода тепла от миниатюрных элементов и устойчивостью к термическим циклам. Важны механическая прочность и гибкость, особенно для гибких вычислительных платформ. Композиты на основе углеродных нанотрубок и графена сочетают высокую проводимость с прочностью и минимальной деформацией при нагреве.
Фотонные компоненты, включающие полупроводниковые лазеры, нелинейные кристаллы и фотонные кристаллы, обеспечивают высокоскоростную передачу и обработку данных. Контроль параметров фотонного потока достигается за счёт точного структурирования материала на уровне нанометров. Оптические резонаторы и волноводы интегрируются с электронными слоями для создания гибридных электро-оптических нейросетей.
Современные исследования фокусируются на:
Использование этих материалов позволяет создавать интеллектуальные системы с высокой плотностью интеграции, минимальным энергопотреблением и адаптивными возможностями, что является ключевым для развития аппаратного обеспечения искусственного интеллекта нового поколения.