Forskere støtter konventionel visdom om varmeledningsevne

Forskere har længe vidst, at diamant er det bedste materiale til at lede varme, men det har ulemper:Det er dyrt og er en elektrisk isolator; når den er parret med en halvleder, diamant ekspanderer med en anden hastighed, end enheden gør, når den opvarmes.

Nu har en gruppe forskere fra hele USA rapporteret, at en krystal vokset fra to relativt almindelige mineralelementer - bor og arsen - viser langt højere varmeledningsevne end nogen andre halvledere og metaller, der i øjeblikket er i brug, herunder silicium, siliciumcarbid, kobber og sølv.

Opdagelsen har potentiale til at løse en række teknologiske udfordringer, herunder køling af elektroniske enheder og nanodeapparater, sagde fysiker Zhifeng Ren, en forsker ved Texas Center for Superconductivity ved University of Houston og en af ​​de tilsvarende forfattere på papiret, der annoncerede opdagelsen, offentliggjort torsdag, 5. juli kl. i journalen Videnskab .

Varmeledningsevne måles i enheden Wm-1K-1, bruges til at angive mængden af ​​varme, der kan passere gennem et materiale, der er en meter langt, når temperaturforskellen fra den ene side til den anden er 1 grad Kelvin. Bor-arsenidkrystal har en ledningsevne på over 1, 000 ved stuetemperatur, rapporterede forskerne.

Kobber, til sammenligning, har en ledningsevne på ca. 400; diamant har en rapporteret varmeledningsevne på 2, 000.

Tidligere rapporterede bestræbelser på at syntetisere bor-arsenid har givet krystaller, der måler mindre end 500 mikrometer-for små til nyttig anvendelse.

Men forskerne har nu rapporteret om voksende krystaller større end 4 millimeter med 2 millimeter med 1 millimeter. En større krystal kunne fremstilles ved at forlænge væksttiden ud over de 14 dage, der blev brugt til eksperimentet, de sagde.

Arbejder med Tom Reinecke på Naval Research Lab og Lucas Lindsay på Oak Ridge National Laboratory, David Broido, en teoretisk fysiker ved Boston College og en af ​​forfatterne til papiret, foreslog først, at kombinationen kunne give en krystal med høj varmeledningsevne, trodser den konventionelle teori om, at termisk ledningsevne med ultrahøj gitter kun kunne forekomme i krystaller sammensat af stærkt bundne lyselementer, begrænset af anharmoniske tre-fononprocesser.

Dette arbejde bekræfter teorien, selvom det tog et stykke tid. Flere forskere involveret i den aktuelle publikation, sammen med Bing Lv, derefter en forsker ved UH og nu et fakultetsmedlem ved University of Texas-Dallas, rapporterede at syntetisere en lille krystal med en ledningsevne på omkring 200 i 2015.

Efterfølgende arbejde i Rens laboratorium resulterede i større, mere stærkt ledende krystal rapporteret i Videnskab .

Broido kaldte bekræftelsen for et "eksempel på det samarbejdende samspil mellem teori, materialesyntese og måling. At dette blev opnået og teorien bekræftet er et vidnesbyrd om syntese- og målingsteams vedholdenhed og dygtighed. "

Paul Ching-Wu Chu, T.L.L. Temple Chair of Science ved UH og grundlægger af Texas Center for Superconductivity, sagde at kombinere bor med arsen var en kompleks udfordring.

"Uoverensstemmelsen mellem de fysiske egenskaber af bor og arsen gør syntesen af ​​borarsenid ekstremt vanskelig og bor-arsenid-enkeltkrystaller næsten umulig, " han sagde.

Forskerne skabte krystallen ved hjælp af kemisk damptransport, kompliceret af, at bor har et smeltepunkt på 2, 076 grader Celsius, mens arsen skifter direkte fra et fast stof til en gas.

Medforfatter Shuo Chen, adjunkt i fysik ved UH, sagde krystallen kunne være nyttig til køling af elektroniske enheder.

"Varmespredning er afgørende for elektronik med høj effektdensitet, sagde hun. Derfor derfor materialer med høj varmeledningsevne er nødvendige for at tjene som substrater i elektronik med høj effektdensitet. "

Potentialet for en halvleder med høj varmeledningsevne er enormt, Sagde Chen.

"Ved hjælp af femto-sekunders laserpulser, vi var i stand til at måle de termiske ledningsevner af bor-arsenidkrystallerne, "tilføjede Bai Song, en postdoktor associeret af professor Gang Chen i MIT's afdeling for maskinteknik. "Så høj varmeledningsevne gør bor-arsenid attraktivt for mikroelektroniske applikationer både som apparatmaterialer og som kølelegemer."

Projektet blev finansieret af U.S. Navy's Multidisciplinary University Research Initiative, ledet af Li Shi, professor i maskinteknik ved University of Texas i Austin.

Shi bemærkede, at teammedlemmer ved UT-Austin og MIT udtænkte fire forskellige metoder til at validere borarsenid som den første kendte halvleder med en varmeledningsevne så høj som 1000 Wm-1 K-1 ved stuetemperatur.

Det næste trin, han sagde, vil være "at udforske enhedsteknologier med bor -arsenid -bulk -krystaller."