Forskere opdager nyt materiale til køling af elektroniske enheder

Et team af teoretiske fysikere ved U.S.Naval Research Laboratory (NRL) og Boston College har identificeret kubisk borarsenid som et materiale med en ekstraordinær høj varmeledningsevne og potentiale til at overføre varme mere effektivt fra elektroniske enheder end diamant, den hidtil mest kendte varmeleder.

Når mikroelektroniske enheder bliver mindre, hurtigere og mere kraftfuld, termisk ledelse er ved at blive en kritisk udfordring. Dette arbejde giver ny indsigt i karakteren af ​​termisk transport på et kvantitativt niveau og forudsiger et nyt materiale, med ultrahøj varmeledningsevne, af potentiel interesse for passive køleprogrammer.

Beregning af termisk ledningsevne for kubiske III-V borforbindelser ved hjælp af en forudsigelig tilgang til første principper, teamet har fundet borarsenid (BA'er) for at have en bemærkelsesværdig varmeledningsevne ved stuetemperatur, større end 2, 000 Watt pr. Meter pr. Grad Kelvin (> 2000 Wm ^-1 K ^-1 ). Dette kan sammenlignes med dem i diamant og grafit, som er de største kendte bulk -værdier.

I modsætning til metaller, hvor elektronerne bærer varmen, diamant og borarsenid er elektriske isolatorer. For sidstnævnte materialetype bæres varme af vibrationsbølger (fononer) i de bestanddelte atomer, og iboende modstand mod varmestrøm skyldes, at disse bølger spredes fra hinanden. Diamant er af interesse for køleprogrammer, men det er knappe, og dets syntetiske fremstilling lider af langsomme vækstrater, høje omkostninger og lav kvalitet. Imidlertid, Der er hidtil kun gjort få fremskridt med at identificere nye højt termisk ledende materialer.

Historisk set fuldt mikroskopisk, parameterfrie beregningsmaterialeteknikker har været mere avancerede for elektroniske egenskaber end for termisk transport.

"I de sidste par år med bidrag fra NRL -teamet, 'ab initio' kvantitative teknikker er blevet udviklet til termisk transport, "sagde Dr. Thomas L. Reinecke, fysiker, Electronics Science and Technology Division. "Disse teknikker åbner vejen for en mere fuldstændig forståelse af de vigtigste fysiske træk ved termisk transport og for evnen til præcist at forudsige varmeledningsevne af nye materialer."

Disse overraskende fund for borarsenid skyldes et usædvanligt samspil mellem visse af dets vibrationsegenskaber, der ligger uden for de retningslinjer, der normalt bruges til at estimere varmeledningsevnen for elektriske isolatorer. Disse egenskaber bevirker, at spredninger mellem vibrationsbølger er langt mindre sandsynlige end det er typisk for et bestemt frekvensområde, hvilket igen gør det muligt at lede store mængder varme i dette frekvensområde. "Hvis disse spændende resultater verificeres ved forsøg, det vil åbne nye muligheder for passive køle applikationer med borarsenid, og det ville demonstrere den vigtige rolle, som et sådant teoretisk arbejde kan spille i vejledningen til at identificere nye materialer med høj varmeledningsevne, "Siger Reinecke.

Termiske konduktivitetsberegninger fra denne gruppe er i god overensstemmelse med tilgængelige eksperimentelle resultater for en lang række materialer. Teamet bestod af Dr. Lucas Lindsay og Tom Reinecke på NRL og Dr. David Broido ved Boston College.

Denne forskning, delvis støttet af Office of Naval Research (ONR) og Defense Advanced Research Projects Agency (DAPRA), giver vigtig ny indsigt i fysikken i termisk transport i materialer, og det illustrerer kraften i moderne beregningsteknikker til at lave kvantitative forudsigelser for materialer, hvis egenskaber endnu ikke måles.