CAREER: Development and Characterization of New High Thermal Conductivity Materials for Energy-Efficient Electronics and Photonics

职业:用于节能电子和光子学的新型高导热材料的开发和表征

基本信息

  • 批准号:
    1753393
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 49.61万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-06-01 至 2024-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Non-technical Description: With the ever-shrinking dimensions of electronic and photonic devices to the nanoscale, heat dissipation is an increasingly critical technological challenge. To address this challenge, discovering and understanding the properties of high thermal conductivity materials that can efficiently dissipate heat from hot spots and improve the performance of devices constitute an urgent need. This CAREER project aims to investigate new high thermal conductivity materials and understand the fundamental transport phenomena and mechanisms associated with the chemistry and structures of such materials. The PI is using complementary approaches, including multiscale modeling, advanced synthesis and characterization methods. These less explored materials are theoretically predicted to offer new paradigms to enable advanced electronics, optoelectronics, thermal energy conversion and management. The research components of this project are closely integrated with various education and outreach activities, offering cross-disciplinary training beyond traditional educational boundaries, and involving the participation of underrepresented and diversity groups. This is accomplished through industry-academia collaborations, development of a new interdisciplinary course curriculum, and establishment of a Nano-Energy outreach program.Technical Description: The principal investigator and his research team are investigating a new class of high thermal conductivity materials (such as BAs, BP, GeC) to address the critical challenge of heat dissipation in modern electronics and photonics. Some of these unique materials have been predicted recently by ab initio theory to have ultrahigh thermal conductivity, over 1000 W/mK, enabled by multiple factors, including a large mass ratio of the constitutive atoms, acoustic bunching, and isotopic purity. This CAREER project aims to experimentally realize these high thermal conductivity materials through a synergistic growth-measurement-model approach to investigate the optimum growth conditions, structural and thermal properties, and phonon transport mechanisms. The team develops new characterization tools, including advanced phonon spectral mapping spectroscopy based on the time-domain thermoreflectance technique, and advanced atomic-level material structural control methods, to establish detailed structure-property relationships with microscale quantification. Experimental measurement results including phonon mean free path spectra are analyzed using atomistic density functional theory and multiscale Boltzmann transport equations solved by Monte Carlo simulations. Completion of this project may lead to transformative technological innovations for advancing the performance and energy-efficiency of future electronics and photonics. In addition, the multidisciplinary research components are closely integrated with various education and outreach activities with graduate, undergraduate, and high school students, involving students from underrepresented minority groups.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.
非技术描述:随着电子和光子器件的尺寸不断缩小到纳米级,散热成为一个日益关键的技术挑战。为了应对这一挑战,迫切需要发现和了解能够有效散热热点并提高器件性能的高导热材料的特性。该职业项目旨在研究新型高导热率材料,并了解与此类材料的化学和结构相关的基本传输现象和机制。该 PI 正在使用补充方法,包括多尺度建模、高级综合和表征方法。从理论上讲,这些较少探索的材料预计将提供新的范例,以实现先进的电子学、光电子学、热能转换和管理。该项目的研究部分与各种教育和外展活动紧密结合,提供超越传统教育界限的跨学科培训,并让代表性不足和多元化群体参与其中。这是通过产学合作、开发新的跨学科课程以及建立纳米能源推广计划来实现的。技术描述:首席研究员和他的研究团队正在研究一类新型高导热材料(例如BA、BP、GeC)来解决现代电子和光子学中散热的关键挑战。最近,从头算理论预测其中一些独特材料具有超过 1000 W/mK 的超高导热率,这是由多种因素实现的,包括大的组成原子质量比、声束和同位素纯度。该职业项目旨在通过协同生长测量模型方法以实验方式实现这些高导热率材料,以研究最佳生长条件、结构和热性能以及声子传输机制。该团队开发了新的表征工具,包括基于时域热反射技术的先进声子光谱映射光谱和先进的原子级材料结构控制方法,以通过微尺度量化建立详细的结构-性能关系。使用原子密度泛函理论和蒙特卡罗模拟求解的多尺度玻尔兹曼输运方程对包括声子平均自由程谱在内的实验测量结果进行了分析。该项目的完成可能会带来变革性的技术创新,以提高未来电子和光子学的性能和能源效率。此外,多学科研究部分与研究生、本科生和高中生的各种教育和推广活动紧密结合,其中包括来自代表性不足的少数群体的学生。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(23)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Integration of boron arsenide cooling substrates into gallium nitride devices
将砷化硼冷却基板集成到氮化镓器件中
  • DOI:
    10.1038/s41928-021-00595-9
  • 发表时间:
    2021-06-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    34.3
  • 作者:
    J. Kang;Man Li;Huan Wu;Huuduy Nguyen;T. Aoki;Yongjie Hu
  • 通讯作者:
    Yongjie Hu
High-performance field emission based on nanostructured tin selenide for nanoscale vacuum transistors
用于纳米级真空晶体管的基于纳米结构硒化锡的高性能场发射
  • DOI:
    10.1039/c8nr07912a
  • 发表时间:
    2019-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Nguyen, Huu Duy;Kang, Joon Sang;Li, Man;Hu, Yongjie
  • 通讯作者:
    Hu, Yongjie
Anomalous thermal transport under high pressure in boron arsenide
砷化硼高压下的异常热传输
  • DOI:
    10.1038/s41586-022-05381-x
  • 发表时间:
    2022-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    64.8
  • 作者:
    Li, Suixuan;Qin, Zihao;Wu, Huan;Li, Man;Kunz, Martin;Alatas, Ahmet;Kavner, Abby;Hu, Yongjie
  • 通讯作者:
    Hu, Yongjie
Observation of strong higher-order lattice anharmonicity in Raman and infrared spectra
拉曼和红外光谱中强高阶晶格非谐性的观察
  • DOI:
    10.1103/physrevb.101.161202
  • 发表时间:
    2019-08-14
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Xiaolong Yang;Tianli Feng;J. Kang;Yongjie Hu;Ju Li;X. Ruan
  • 通讯作者:
    X. Ruan
Complementary doping of van der Waals materials through controlled intercalation for monolithically integrated electronics
通过受控嵌入对单片集成电子器件进行范德华材料的互补掺杂
  • DOI:
    10.1007/s12274-020-2634-y
  • 发表时间:
    2020-03-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.9
  • 作者:
    M. Ke;Huuduy Nguyen;H. Fan;Man Li;Huan Wu;Yongjie Hu
  • 通讯作者:
    Yongjie Hu
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Yongjie Hu其他文献

State-of-the-art conceptual design of supercritical carbon dioxide as a green technology involved in bioresource conversion processes
超临界二氧化碳作为涉及生物资源转化过程的绿色技术的最先进的概念设计
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2024.150166
  • 发表时间:
    2024-04-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Beibei Yan;Yongjie Hu;Jian Wang;Junyu Tao;Shaige Xia;Wenzhe Yang;Yu Zhang;Guo Chen;Wendi Zhou;Guanyi Chen
  • 通讯作者:
    Guanyi Chen
Effect of surface hydroxyl groups on heat capacity of mesoporous silica
表面羟基对介孔二氧化硅热容的影响
  • DOI:
    10.1063/1.5027080
  • 发表时间:
    2018-05-16
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Michal Marszewski;Danielle M. Butts;E. Lan;Yan Yan;Sophia C King;Patricia E. McNeil;Tiphaine Galy;B. Dunn;S. Tolbert;Yongjie Hu;Laurent Pilon
  • 通讯作者:
    Laurent Pilon
Formation, diagenesis and palaeoenvironmental significance of upper Ediacaran fibrous dolomite cements
上埃迪卡拉系纤维白云石胶结物的形成、成岩作用及古环境意义
  • DOI:
    10.1111/sed.12683
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Yongjie Hu;Chunfang Cai;Dawei Liu;Chelsea L.Pederson;Lei Jiang;Anjiang Shen;Adrian Immenhauser
  • 通讯作者:
    Adrian Immenhauser
Controlling Thermal Conductivity in Mesoporous Silica Films Using Pore Size and Nanoscale Architecture.
使用孔径和纳米级结构控制介孔二氧化硅薄膜的导热率。
  • DOI:
    10.1021/acs.jpclett.0c00464
  • 发表时间:
    2020-04-17
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Yan Yan;Man Li;Sophia C King;Tiphaine Galy;Michal Marszewski;J. Kang;L. Pilon;Yongjie Hu;S. Tolbert
  • 通讯作者:
    S. Tolbert
Hole spin relaxation in Ge-Si core-shell nanowire qubits.
Ge-Si 核壳纳米线量子位中的空穴自旋弛豫。
  • DOI:
    10.1038/nnano.2011.234
  • 发表时间:
    2011-10-21
  • 期刊:
  • 影响因子:
    38.3
  • 作者:
    Yongjie Hu;F. Kuemmeth;Charles M. Lieber;C. Marcus
  • 通讯作者:
    C. Marcus

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  • 通讯作者:
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Travel to attend 2019 Spring MRS Symposium on Emerging Thermal Materials - From Nanoscale to Multiscale Thermal Management, in Phoenix, Arizona, April 22-26, 2019.
前往参加 2019 年 4 月 22 日至 26 日在亚利桑那州凤凰城举行的 2019 年春季 MRS 新兴热材料研讨会 - 从纳米级到多尺度热管理。
  • 批准号:
    1929817
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 49.61万
  • 项目类别:
    Standard Grant

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    22303084
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共享发展视角下主客乡村依恋的表征、动因及对旅游价值共创的影响
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量级感知影响数量表征的行为及脑机制:从人类个体发展的视角
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  • 资助金额:
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类别学习发展及其机制的眼动研究
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    31900769
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    2019
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    2017
  • 资助金额:
    274.0 万元
  • 项目类别:
    重点项目

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Characterization of Altered Immunity in Patients with Inflammatory Arthritis Induced by Immune Checkpoint Inhibitor Therapy
免疫检查点抑制剂治疗引起的炎症性关节炎患者免疫改变的特征
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β冠状病毒 OC43 的季节性 CoV 免疫特征和新型受控人类感染模型的操作
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Tau 突变和翻译后修饰的功能表征
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早期发育中非整倍性、细胞命运和嵌合体的表征
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Characterization of a ubiquitin-independent pathway for proteasomal degradation
蛋白酶体降解的不依赖于泛素的途径的表征
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    10642425
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 49.61万
  • 项目类别:
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作者:{{ showInfoDetail.author }}

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