Crystal orientation and defect control in active and passive plasmonic systems

主动和被动等离子体系统中的晶体取向和缺陷控制

基本信息

  • 批准号:
    1804224
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 35万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-08-01 至 2022-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Nontechnical description: Noble metals are important materials in electronic and optical systems because they can conduct electrical currents with exceptional ease. Material defects strongly dictate the electronic, optical, thermal, and structural properties of these metals. To date, the precise role of defects in device performance is not well understood, in part because there do not exist robust and scalable ways to define defects in metallic structures. This research project aims to investigate the role of individual defects in the electronic and optical properties of gold devices. This work leverages a new technique for metal growth that specifies single defects in a simple and scalable way. An experimental understanding of how to control and characterize defects in noble metals provides new insights into how noble metal devices can be made to be more energy efficient, optically responsive, and mechanically robust. Experimental quantification of defect properties also enables theoretical researchers to more accurately model devices. The education component of this project targets engineering education at the high school level, by working with teachers in the lab to provide them with a research perspective in nanotechnology education, and by engaging with high school students through seminars and discussion.Technical description: In this research project, the principle investigator explores methods to control the crystal orientation, grain boundary orientation, and grain boundary position in single- and bi-crystal gold metal microstructures. These material systems serve as model systems to explore the role of defects in active and passive plasmonic devices. A crystal growth technique called rapid melt growth specifies crystal orientation and defects in the metal. In this technique, a silica microcrucible encapsulates polycrystalline gold and a platinum seed, where the gold is first heated to its melting point and is then cooled. Liquid phase epitaxy initiates from the seed region, is directional, and specifies the crystal orientations of the metal microstructures based on the seed crystal. As such, this method serves as a versatile and scalable platform for defining the crystallographic properties of metals through lithographic patterning. For example, two seed structures at each end of a gold stripe produce bi-crystals with a range of tilt-boundary angles. The principle investigator aims to correlate parameters, such as tilt-boundary angle, with plasmon transport, using optical and electronic microscopy techniques. The education component of this project focuses on high school engineering education, by providing teachers with nanotechnology experience and students with summer laboratory programs and seminars.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
非技术性描述:贵金属是电子和光学系统中的重要材料,因为它们可以非常容易地传导电流。 材料缺陷强烈地决定了这些金属的电子、光学、热学和结构特性。 迄今为止,缺陷在器件性能中的确切作用还没有很好地理解,部分原因是不存在定义金属结构中的缺陷的稳健且可扩展的方法。 该研究项目旨在研究单个缺陷在金器件的电子和光学特性中的作用。 这项工作利用了一种新的金属生长技术,以简单和可扩展的方式指定单个缺陷。 对如何控制和表征贵金属中缺陷的实验理解为如何使贵金属器件更加节能,光学响应和机械耐用提供了新的见解。 缺陷特性的实验量化也使理论研究人员能够更准确地对器件进行建模。 该项目的教育部分针对高中阶段的工程教育,通过与实验室的教师合作,为他们提供纳米技术教育的研究视角,并通过研讨会和讨论与高中学生互动。技术描述:在这个研究项目中,主要研究者探索控制晶体取向,晶界取向,以及单晶和双晶金金属微结构中的晶界位置。 这些材料系统作为模型系统,以探索主动和被动等离子体激元器件中的缺陷的作用。 称为快速熔体生长的晶体生长技术指定金属中的晶体取向和缺陷。 在这种技术中,二氧化硅微坩埚封装多晶金和铂籽晶,其中金首先被加热到其熔点,然后冷却。 液相外延从晶种区域开始,是定向的,并且基于晶种晶体指定金属微结构的晶体取向。 因此,这种方法作为一个通用的和可扩展的平台,用于通过光刻图案化来定义金属的晶体学性质。 例如,在金条的每一端处的两个晶种结构产生具有一定范围的倾斜边界角的双晶体。 主要研究者的目的是相关参数,如倾斜边界角,等离子体传输,使用光学和电子显微镜技术。 该项目的教育部分侧重于高中工程教育,为教师提供纳米技术经验,为学生提供暑期实验室课程和研讨会。该奖项反映了NSF的法定使命,并被认为值得通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估来支持。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
High‐Throughput Growth of Microscale Gold Bicrystals for Single‐Grain‐Boundary Studies
用于单晶粒边界研究的微型金双晶体的高通量生长
  • DOI:
    10.1002/adma.201902189
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    29.4
  • 作者:
    Gan, Lucia T.;Yang, Rui;Traylor, Rachel;Cai, Wei;Nix, William D.;Fan, Jonathan A.
  • 通讯作者:
    Fan, Jonathan A.
Detection of Trace Impurity Gradients in Noble Metals by the Photothermoelectric Effect
  • DOI:
    10.1021/acs.jpcc.1c04927
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Charlotte I. Evans;Lucia T. Gan;Rui Yang;M. Abbasi;Xifan Wang;R. Traylor;Jonathan A. Fan;D. Natelson
  • 通讯作者:
    Charlotte I. Evans;Lucia T. Gan;Rui Yang;M. Abbasi;Xifan Wang;R. Traylor;Jonathan A. Fan;D. Natelson
In Situ TEM Tensile Testing of Bicrystals with Tailored Misorientation Angles
  • DOI:
    10.1016/j.actamat.2021.117505
  • 发表时间:
    2021-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.4
  • 作者:
    M. Kiani;Lucia T. Gan;R. Traylor;Rui Yang;C. Barr;K. Hattar;Jonathan A. Fan;X. Wendy Gu
  • 通讯作者:
    M. Kiani;Lucia T. Gan;R. Traylor;Rui Yang;C. Barr;K. Hattar;Jonathan A. Fan;X. Wendy Gu
Thermoelectric response from grain boundaries and lattice distortions in crystalline gold devices
  • DOI:
    10.1073/pnas.2002284117
  • 发表时间:
    2020-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Charlotte I. Evans;Rui Yang;Lucia T. Gan;M. Abbasi;Xifan Wang;R. Traylor;Jonathan A. Fan;D. Natelson
  • 通讯作者:
    Charlotte I. Evans;Rui Yang;Lucia T. Gan;M. Abbasi;Xifan Wang;R. Traylor;Jonathan A. Fan;D. Natelson
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  • 通讯作者:
    Arkady Khoutorsky

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知道了