Isotopisk beriget kubisk bornitrid afslører høj varmeledningsevne

Et internationalt hold af fysikere, materialeforskere, og mekaniske ingeniører har bekræftet den høje termiske ledningsevne forudsagt i isotopisk beriget kubisk bornitrid, rapporterer forskerne i den elektroniske forhåndsudgave af tidsskriftet Videnskab .

Et materiales varmeledningsevne formidler, hvor meget varme der kan passere gennem det, når dets ender er ved forskellige temperaturer. Materialer med meget høj varmeledningsevne har vigtige teknologiske anvendelser, såsom køling af mikroelektronik. Men meget få af dem er blevet opdaget.

Teoretikere havde forudsagt, at isotopisk rent kubisk bornitrid (c-BN), bør have ekstrem høj varmeledningsevne - kun næst efter krystaller lavet af kulstof, såsom diamant.

"Vi ønskede at afgøre, om c-BN af høj kvalitet faktisk kan fås til at observere de store termiske ledningsevnestørrelser i c-BN, og om den enorme stigning i termisk ledningsevne med isotoprensning forudsagt ud fra teoretiske beregninger er målt i det virkelige materiale, "sagde Boston College professor i fysik David Broido, medforfatter af rapporten.

c-BN er særligt udfordrende at lave. Også, det er svært at måle den termiske ledningsevne nøjagtigt, når værdien er høj. Teamet overvandt disse udfordringer, og de målte termiske ledningsevneværdier for c-BN-prøverne var ret tæt på dem, de havde beregnet.

"Undersøgelsen bekræfter c-BN som et af kun en håndfuld materialer med ultrahøj termisk ledningsevne, og viser, at den har den største stigning i dens varmeledningsevne ved isotopisk berigelse nogensinde observeret, "Sagde Broido.

Holdet studerede også de relaterede forbindelser, borphosphid (BP) og borarsenid (BA'er). De fleste grundstoffer i naturen har blandinger af isotoper, Broido forklarede. For eksempel, naturligt forekommende bor har to isotoper, ca. 20 procent bor-10 og 80 procent bor-11. Disse forskellige isotoper i hele materialet producerer uorden, der øger den termiske modstand. Ved at fremstille materialet med kun én isotop (enten kun B-10 eller blot B-11) gennem isotopberigelse, denne modstand reduceres, så den termiske ledningsevne øges, han sagde.

Ved et bemærkelsesværdigt sammenfald af naturen, grundstofferne nitrogen, fosfor og arsen, som naturligt binder med bor for at lave c-BN, BP og BA'er, kun har en enkelt isotop. Så, for disse forbindelser er den isotopiske lidelse kun på boratomerne og er således den samme i alle tre forbindelser fremstillet med naturligt forekommende bor, Sagde Broido. Endnu, isotopisk berigelse af boratomerne gav en fordobling af termisk ledningsevne for c-BN, men meget mindre stigninger for BP og BA'er.

Bor- og nitrogenatomer har nogenlunde samme masse, mens arsen og fosfor er tungere.

"Vi viste, at de større arsen- og fosformasser sammenlignet med bor forårsagede, at isotopisk lidelse i BA'er og BP kun gav lille modstand mod varmestrøm, " sagde Broido, der udførte teoretiske beregninger med Boston College postdoktorale Navaneetha K. Ravichandran. "Det er, som om den isotopiske lidelse bliver usynlig for varmen, der strømmer gennem BA'erne og BP-prøverne."

I modsætning, fjernelse af den samme mængde lidelse gennem isotopberigelse i c-BN resulterer i en enorm stigning i termisk ledningsevne.

I alt, 24 forskere bidrog til projektet. Ud over Boston College, holdet inkluderede forskergrupperne fra Gang Chen ved MIT, David Cahill ved University of Illinois, Urbana-Champaign, Li Shi ved University of Texas i Austin, Bing Lv ved University of Texas i Dallas, Zhifeng Ren ved University of Houston, og Takashi Taniguchi ved Japans National Institute for Materials Science.

"Det var fantastisk at se de målte data og teoretiske beregninger konsekvent stemme så tæt overens med hinanden. Teorien har ingen parametre i sig, som kan justeres, så de passer til målingerne. Enten stemmer den overens med målingerne, eller også gør den ikke, " sagde Broido. "Den fremragende enighed fremhæver nøjagtigheden af ​​teorien, målingernes præcision, og den høje renhed af prøverne."

Broido sagde, at der er behov for yderligere undersøgelser for bedre at forstå de typer af defekter, der opstår i c-BN, der virker for at reducere dets varmeledningsevne. Fordi sådanne ultrahøje varmeledningsevne materialer er så sjældne, han håber, at teoretiske og beregningsmæssige søgninger kan identificere nye kandidater og opklare mysterierne omkring deres sædvanlige egenskaber.