En usandsynlig konkurrent til diamant som den bedste termiske leder

Et usandsynligt materiale, kubisk borarsenid, kunne levere en ekstraordinær høj termisk ledningsevne - på niveau med industristandarden fastsat af dyre diamanter - rapporterer forskere i det aktuelle nummer af tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .

Opdagelsen af, at den kemiske forbindelse af bor og arsen kunne konkurrere med diamant, den mest kendte termiske leder, overraskede holdet af teoretiske fysikere fra Boston College og Naval Research Laboratory. Men en ny teoretisk tilgang tillod holdet at låse op for hemmeligheden bag borarsenids potentielt ekstraordinære evne til at lede varme.

Mindre, hurtigere og mere kraftfulde mikroelektroniske enheder udgør den skræmmende udfordring at fjerne den varme, de genererer. Gode ​​termiske ledere placeret i kontakt med sådanne enheder kanaliserer varme hurtigt væk fra uønskede "hot spots", som nedsætter effektiviteten af ​​disse enheder og kan få dem til at svigte.

Diamant er den mest værdsatte af ædelstene. Men, ud over dets glans og skønhed i smykker, det har mange andre bemærkelsesværdige egenskaber. Sammen med sine kulstoffætre grafit og grafen, diamant er den bedste termiske leder omkring stuetemperatur, med varmeledningsevne på mere end 2, 000 watt per meter per Kelvin, hvilket er fem gange højere end de bedste metaller såsom kobber. I øjeblikket, diamant er meget brugt til at hjælpe med at fjerne varme fra computerchips og andre elektroniske enheder. Desværre, diamant er sjælden og dyr, og syntetisk diamant af høj kvalitet er vanskelig og dyr at fremstille. Dette har ansporet en søgen efter nye materialer med ultrahøj varmeledningsevne, men der er sket små fremskridt i de senere år.

Den høje termiske ledningsevne af diamant er velkendt, som følge af de lette carbonatomer og de stive kemiske bindinger mellem dem, ifølge medforfatter David Broido, professor i fysik ved Boston College. På den anden side, borarsenid forventedes ikke at være en særlig god termisk leder og var faktisk blevet vurderet – ved hjælp af konventionelle evalueringskriterier – at have en termisk ledningsevne 10 gange mindre end diamant.

Holdet fandt, at den beregnede termiske ledningsevne af kubisk borarsenid er bemærkelsesværdig høj, mere end 2000 watt pr. meter pr. kelvin ved stuetemperatur og overskridelse af diamant ved højere temperaturer, ifølge Broido og medforfatterne Tom Reinecke, seniorforsker ved Naval Research Laboratory, og Lucas Lindsay, en post-doc forsker ved NRL, der fik sin doktorgrad ved BC.

Broido sagde, at holdet brugte en nyligt udviklet teoretisk tilgang til beregning af termiske ledningsevner, som de tidligere havde testet med mange andre velundersøgte materialer. Tillid til deres teoretiske tilgang, holdet kiggede nærmere på borarsenid, hvis varmeledningsevne aldrig er blevet målt.

I modsætning til metaller, hvor elektroner bærer varme, diamant og borarsenid er elektriske isolatorer. For dem, varme er båret af vibrationsbølger af de indgående atomer, og kollisionen af ​​disse bølger med hinanden skaber en iboende modstand mod varmestrømning. Holdet var overrasket over at finde et usædvanligt samspil mellem visse vibrationsegenskaber i borarsenid, der ligger uden for de retningslinjer, der almindeligvis bruges til at estimere varmeledningsevnen af ​​elektriske isolatorer. Det viser sig, at de forventede kollisioner mellem vibrationsbølger er langt mindre tilbøjelige til at forekomme i et bestemt frekvensområde. Dermed, ved disse frekvenser, store mængder varme kan ledes i borarsenid.

"Dette arbejde giver vigtig ny indsigt i fysikken bag varmetransport i materialer, og det illustrerer kraften i moderne beregningsteknikker til at lave kvantitative forudsigelser for materialer, hvis varmeledningsevne endnu ikke er blevet målt, " sagde Broido. "Vi er spændte på at se, om vores uventede fund for borarsenid kan verificeres ved måling. Hvis så, det kan åbne nye muligheder for passive køleapplikationer ved hjælp af borarsenid, og det vil yderligere demonstrere den vigtige rolle, som et sådant teoretisk arbejde kan spille i at give nyttig vejledning til at identificere nye materialer med høj varmeledningsevne."