Collaborative Research: FuSe: High-throughput Discovery of Phase Change Materials for Co-designed Electronic and Optical Computational Devices (PHACEO)

合作研究:FuSe:用于共同设计的电子和光学计算设备的相变材料的高通量发现(PHACEO)

基本信息

  • 批准号:
    2329089
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 31.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-10-01 至 2026-09-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Non-technical DescriptionThe demand for energy needed to store and process data is growing at an unsustainable rate. New technologies are clearly needed. Phase change materials, which can dramatically change their electronic, optical, and physical properties during phase transitions, offer a promising solution. Their tunability makes them promising candidates for emerging applications such as energy efficient in-memory computing. This FuSe project will explore a new class of phase change materials that combine five or more elements in comparable amounts. The field of materials science has been captivated by the discovery of such “high entropy” materials. For example, high entropy ceramics have unique thermal and mechanical properties not possible with simpler compositions. In this project, investigators will combine computational materials discovery with combinatorial synthesis to realize high entropy phase change materials. The most promising candidates will be characterized comprehensively and integrated into electronic and photonic computational devices. The team will establish a robust pipeline to educate the next-generation workforce. They will offer rotational internships so that students can work at different universities and in cross-cutting fields and promote their success through mentoring. The team will also create a partnership between the University of Maryland and Howard University, an HBCU, to promote the direct exchange of research mentorship and training.Technical DescriptionThe central hypothesis driving this Future of Semiconductors project is that high-entropy phase change materials (PCMs) can form a thermodynamically stable single phase when elements randomly occupy one type of lattice site and are present in high concentrations rather than as dopants. This structure, stabilized by large configurational entropy, will enable development of PCMS with low/zero resistance drift and large bandgaps (1.5 eV) or extinction coefficient contrast (∆k~2-3) for optical memristors in the visible and infrared. The proposed research comprises four thrust topics to be conducted in a closed-loop fashion. 1) First-principles computation material discovery to predict previously unexplored entropy-stabilized PCMs. 2) Combinatorial synthesis via sputtering of selenides and tellurides and thermal evaporation of sulfides in order to explore multiple compositions in a single run. 3) Electrical, optical, structural, and compositional material characterization to reveal the intrinsic (permittivity, structure, vibrational modes, composition, conductivity, capacitance, etc.) and extrinsic (void formations, capping, geometry, substrates) factors dictating device performance. 4) Integration of PCMs into photonic and electronic devices to demonstrate optical and electrical memristors and memcapacitors with optimal performance.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.
非技术描述以不可持续的速度增加存储和过程数据所需的能量需求。显然需要新技术。相变材料可以在相变期间大大改变其电子,光学和物理性能,提供了有望的解决方案。它们的可产用性使他们承诺为候选人提供新兴应用,例如能源有效的内存计算。该保险丝项目将探索一种新的相变材料,该材料将五个或更多元素以可比的量结合在一起。通过发现这种“高熵”材料,材料科学领域被吸引了。例如,高熵陶瓷具有更简单的组成具有独特的热和机械性能。在该项目中,研究人员将将计算材料发现与组合合成结合在一起,以实现高熵相变材料。最有希望的候选人将被彻底表征并集成到电子和光子计算设备中。该团队将建立强大的管道来教育下一代劳动力。他们将提供轮换实习,以便学生可以在不同的大学和横切领域工作,并通过心理促进他们的成功。该团队还将在马里兰大学和霍华德大学(HBCU)之间建立伙伴关系,以促进直接交流研究心态和培训。技术描述驱动半导体项目的未来的中心假设是,高进入相位相变的未来是高渗透相变材料(PCM)可以在热力学上稳定的单相,而当元素占据了lattice and typers of Lattice and typers and of littice and typers and of littice and tope and typers and tope and。通过大型配置熵稳定的这种结构将使具有低/零电阻漂移的PCM和大型带盖(1.5 eV)或延长系数对比度(∆K〜2-3),以用于可见和红外的光学备忘录。拟议的研究包括以闭环方式进行的四个推力主题。 1)第一原理计算材料发现以预测先前意外的熵稳定的PCM。 2)合成硒化物和瑟里滨和硫化物的热蒸发,以探索单个运行中的多个组合物的组合合成。 3)电气,光学,结构和复合材料表征,以揭示固有的(介电常数,结构,振动模式,组成,电导率,电容等)和外部(空隙形成,封盖,几何,几何,底物)因素的因素。 4)将PCMS集成到光子和电子设备中,以证明具有最佳性能的光学和电气回忆录和备用器。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识分子优点和更广泛的审查标准评估来诚实地获得支持。

项目成果

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