En ny halvleder med rekordhøj varmeledningsevne

Forskere ved UCLA, for første gang, eksperimentelt realiseret en ny sammensat enkeltkrystal, borarsenid (BA'er) og undersøgte dets termiske ledningsevnegrænse, når krystaller er fri for defekter. De observerede den højeste isotropiske varmeledningsevne, 1300 W/mK, ud over alle almindelige metaller og halvledere. Denne undersøgelse etablerede et nyt benchmark termiske materialer, der potentielt kunne revolutionere termiske styringsteknologier inden for elektronik og fotonik. Dette arbejde er rapporteret i papiret "Experimental Observation of High Thermal Conductivity in Boron Arsenide, " offentliggjort online i denne uge i Videnskab .

Forskerne har udviklet et termisk ultraledende halvledermateriale, der dramatisk kan reducere opvarmningstemperaturen og effektivt fjerne spildvarmen, der genereres af computere og andre elektroniske eller fotoniske enheder. Det er mere effektivt til at trække varme væk fra hotspots end nogen anden halvleder eller metal og kan potentielt revolutionere de nuværende teknologiske paradigmer for elektronik termisk styring. Undersøgelsen blev ledet af professor Yongjie Hu fra mekanisk og rumfartsteknik, og alle andre forfattere er UCLA kandidatstuderende fra Hus forskningsgruppe (H-Lab):Joonsang Kang, Man Li, Huan Wu, og Huuduy Nguyen.

Computere varmes op, fordi elektronerne, der bevæger sig gennem processorerne og kredsløbene, genererer varme, når de bevæger sig rundt, for eksempel, deres interaktion med gitter. Varme forringer computerens ydeevne, så at forhindre, at computerprocessorer bliver for varme, er grunden til, at smartphones har en køleplade, eller hvorfor stationære computere har blæsere til at blæse varm luft ud. Store datacentre med tusindvis af computere kræver meget ekstra energi til deres højteknologiske kølesystemer.

Efterhånden som computerprocessorer er blevet ved med at skrumpe ned til størrelser, hvor milliarder af transistorer er på en enkelt chip, varme er i stigende grad blevet en større faktor i deres præstationer. Hvis disse CPU'er ikke blev så varme i første omgang, så ville der være behov for meget mindre energi for at holde dem kølige. Håndtering af denne varme er en af ​​de største vejspærringer for nye enheder som computerprocessorer eller LED'er.

Med det mål for øje, UCLA-teamet satte sig for at udvikle et halvledermateriale, der er langt bedre til at håndtere varme end det, der i øjeblikket yder bedst.

Dette UCLA-hold rapporterede for første gang, den eksperimentelle realisering af borarsenid fri for defekter med den højeste varmeledningsevne (1300 W/mK) blandt alle gængse halvledermaterialer og metaller. Varme, der koncentreres i hot spots i computerchips, spredes hurtigt og skylles væk på grund af dens unikke strukturelle og termiske egenskaber. Det nye materiale er tre gange mere ledende end siliciumcarbid og kobber, de bedste materialer i brug i varmestyringsindustrien.

"Dette er et meget udfordrende arbejde, der kræver meget tværfaglig ekspertise fra præcis materialesyntese, omfattende strukturelle karakteriseringer, til nøjagtige termiske transportmålinger og teoretiske beregninger, " siger Yongjie Hu, en adjunkt i Institut for Mekanisk og Rumfartsteknik ved UCLA. "Min gruppe har været dedikeret til denne indsats i de sidste mange år, siden jeg kom til fakultetet ved UCLA, og vi er meget glade for, at vores hårde arbejde betalte sig. Resultatet etablerede en benchmark termisk materialeplatform for mange muligheder inden for både grundlæggende videnskab og applikationer ."

Denne undersøgelse afslører også vigtig fysik af termiske transportmekanismer. Termiske egenskaber i faste stoffer kan beskrives ved interaktioner af fononer, dvs. de kvantemekaniske tilstande af gittervibrationer. I mange årtier, teoretikere mener, at tre-fonon-processen styrer termisk transport, og virkningerne af processer med fire fononer og højere orden blev anset for at være ubetydelige, hvilket faktisk er det sande tilfælde for de fleste almindelige materialer. Denne undersøgelse har en betydelig indvirkning på teorifeltet ved at vise, at højordens anharmonicitet gennem fire-fonon-processen yder et vigtigt bidrag i defektfri BA-enkeltkrystaller. Konklusionen er blevet understøttet af deres eksperimentelle måling, sammenlignet med ab initio beregninger fra uafhængige forskningsgrupper og Hus gruppe. Desuden, undersøgelsen undersøgte den ballistiske termiske transportfysik og forklarede oprindelsen af ​​ultrahøj termisk ledningsevne af BA'er på grund af dens lange fononmiddelfrie veje.

"Denne præstation og fejring bør gå til hele feltet, " sagde Hu. "Der er mange andre førende forskningsgrupper, der gør fremskridt hen imod dette mål. I særdeleshed, denne succes eksemplificerer kraften i at kombinere eksperimenter og ab initio teori i opdagelse af nye materialer, og jeg tror, ​​at denne tilgang vil fortsætte med at skubbe de videnskabelige grænser inden for opdagelse af nye materialer på mange områder, herunder energi, elektronik, og fotonikapplikationer."