Two-Dimensional Amorphous Carbon with Tunable Atomic Structures As A Novel Dielectric Material for Advanced Electronic Applications

具有可调原子结构的二维非晶碳作为先进电子应用的新型介电材料

基本信息

  • 批准号:
    2139185
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 70.05万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-03-01 至 2026-02-28
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Non-Technical DescriptionAtomically thin electronic materials developed recently could transform the current semiconductor industry built on bulk silicon and enable more powerful electronic devices with their extremely scaled thickness and unique physical properties. However, the synthesis of atomically thin insulators with controllable atomic structures and electrical properties is a significant challenge. This research projects seeks to develop a unique process to prepare atomically thin carbon-based insulators from solution-processable precursors. Their atomic structures can be adjusted to optimize their properties for different demanding applications in electronics. The thickness of the prepared insulating thin films can be precisely controlled down to atomic resolution, and they can be formed with excellent uniformity across the whole surface of semiconductor wafers. Results from this project shed light on the structure-property relationship for atomically thin solids that lacks an ordered internal structure, and could technologically lead to faster, more powerful, and more portable cell phones and computers. The project provides summer research internships for local high-school students from underrepresented groups and helps to develop a hands-on module with focus on the application of machine learning in material characterizations for undergraduates. These outreach opportunities prepare sustainable, adaptable, and globally competitive science and engineering workforce to benefit US economy.Technical DescriptionThe objective of this project is to develop two-dimensional (2D) amorphous carbon with unique atomic structures and material properties as a novel and transformative dielectric material for advanced electronic applications. The project starts from developing a unique process to prepare 2D amorphous carbon monolayer with tunable degree of medium range ordering, based on the tiling and cross-linking of zero-dimensional carbon dots with intrinsic crystalline-amorphous core-shell structure as solution-processable precursors. Layer-by-layer deposition further enables the precise control over the film thickness at atomic resolution. Scientifically, the unique properties of the atomically thin 2D amorphous carbon will be correlated with the detailed atomic structures combining material characterizations, high-resolution transmission electron microscopy, and density-functional theory simulation. Technologically, the 2D amorphous carbon monolayers and multilayers are used as the key dielectric component in 2D material-based transistors and memristors to enable enhanced device performance and reduced variability compared to their counterparts built on bulk metal oxides.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.
最近开发的非技术描述在面积薄的电子材料上可能会改变当前的半导体行业,建立在散装硅上,并以极其缩放的厚度和独特的物理特性启用更强大的电子设备。 但是,具有可控原子结构和电性能的原子薄绝缘子的合成是一个重大挑战。 该研究项目旨在开发一个独特的过程,以从溶液处理的前体中制备原子上薄的碳基绝缘子。 可以调整它们的原子结构,以优化其在电子中不同苛刻应用的特性。 制备的绝缘薄膜的厚度可以精确控制为原子分辨率,并且可以在整个半导体晶圆的整个表面上以极好的均匀性形成。 该项目的结果阐明了缺乏有序内部结构的原子薄固体的结构质地关系,并且在技术上可能导致更快,更强大,更便携,更便携的手机和计算机。 该项目为来自代表性不足的小组的当地高中生提供了夏季研究实习,并有助于开发一个动手模块,重点是在本科生的材料特征中应用机器学习。 这些外展机会准备可持续,适应性和全球竞争性的科学和工程劳动力,以使美国经济有利。技术描述该项目的目的是开发具有独特的原子结构和物质特性,作为一种新型的,新型的原子质结构和物质特性,作为一种新颖而变革的介电材料,用于高级电子应用。 该项目从开发一个独特的过程开始,以制备具有可调度中等范围排序程度的2D无定形碳单层,这是基于零维碳点的瓷砖和交联,并具有固有的结晶型核心 - 核心 - 核心壳结构,作为溶液处理的前体。 逐层沉积进一步可以在原子分辨率下精确控制膜厚度。 从科学上讲,原子上薄2D无定形碳的独特性能将与结合材料特征,高分辨率透射电子显微镜和密度功能理论模拟的详细原子结构相关。 从技术上讲,2D无定形碳单层和多层用作基于2D物质的晶体管和备忘录中的关键介电组件,以实现增强的设备性能和降低的可变性,而可变异性则与其在Bulk Metal Oxides上建立的差异相比,这一奖项反映了NSF的法定任务和审查的范围,并通过评估了基础,这是通过评估的范围来弥补的。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Ultrathin quasi-2D amorphous carbon dielectric prepared from solution precursor for nanoelectronics
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2023-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Fufei An;Congjun Wang;Viet Hung Pham;A. Borisevich;Jiangchao Qian;Kaijun Yin;Saran Pidaparthy
  • 通讯作者:
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2023-03-27
  • 期刊:
  • 影响因子:
    34.3
  • 作者:
    Cui, Jinsong;An, Fufei;Cao, Qing
  • 通讯作者:
    Cao, Qing
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