Odkrycie naukowców z Uniwersytetu w Houston może zrewolucjonizować elektronikę
Naukowcy z Uniwersytetu w Houston dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie przewodności cieplnej, obalając dotychczasową teorię, że arsenek boru (BAs) nie może konkurować z przewodnością cieplną diamentu.
Zespół odkrył, że wysokiej jakości kryształy mogą osiągnąć przewodność cieplną przekraczającą 2100 watów na metr na kelwin (W/mK) w temperaturze pokojowej – prawdopodobnie wyższą niż diament, który był uważany za najlepszy przewodnik ciepła wśród materiałów izotropowych.
Badania zostały opublikowane w Materials Today. Podważają one dotychczasowe teorie i mogą zmienić nasze rozumienie materiałów przewodzących ciepło. Mogą one również doprowadzić do powstania nowego materiału półprzewodnikowego o znacznie lepszym zarządzaniu ciepłem w telefonach komórkowych, elektronice o dużej mocy i centrach danych.
– Ufamy naszym pomiarom; nasze dane są poprawne, a to oznacza, że teoria wymaga korekty. Nie twierdzę, że teoria jest błędna, ale należy ją dostosować, aby była zgodna z danymi eksperymentalnymi – powiedział Zhifeng Ren, profesor na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Houston.
Badanie było wynikiem współpracy między uznanym na całym świecie Centrum Nadprzewodnictwa Uniwersytetu w Houston (UH) – kierowanym przez Rena – a naukowcami z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara i Boston College.
W ostatnim dziesięcioleciu wysunięto teorię, że arsenek boru, materiał syntetyczny, może dorównać lub przewyższyć przewodność cieplną diamentu, czyli zdolność do skutecznego odprowadzania ciepła z produktów. W 2013 r. fizyk z Boston College, David Broido, współautor badania, wraz z innymi naukowcami przewidział, że kryształy BA mogą osiągnąć taki poziom wydajności.
Jednak według Rena, do 2017 r. zrewidowane modele, w których dodano rozpraszanie czterofononowe – proces bardziej złożony niż stosowane wcześniej modele trójfononowe – ograniczyły przewodność cieplną arsenku boru do 1360 W/mK, co spowodowało, że większość naukowców odrzuciła możliwość uzyskania wyższej przewodności cieplnej w przyszłych eksperymentach.
Ren i jego współpracownicy byli jednak przekonani, że użycie materiałów źródłowych o wyższej czystości poprawi przewodność cieplną, ponieważ w próbkach wykazujących przewodność cieplną na poziomie około 1300 W/mK występowało wiele defektów. Prognozy oparto na idealnych kryształach BA, a naukowcom udało się eksperymentalnie osiągnąć przewidywany poziom ciepła przy użyciu próbek z istotnymi defektami.
Dzięki oczyszczeniu surowego arsenu i udoskonaleniu technik syntezy zespół uzyskał czystsze kryształy, które wykazywały przewodność cieplną powyżej 2100 W/mK – a wraz z nimi rekordową przewodność cieplną, która przekroczyła teoretyczne oczekiwania. Odkrycie to sprawia, że BA może potencjalnie zrewolucjonizować elektronikę i zarządzanie temperaturą. Nie tylko przewyższa diament pod względem przewodności cieplnej, ale także przewyższa krzem – obecny standard branżowy – jako półprzewodnik.
Jest on łatwiejszy i tańszy w produkcji niż diamenty, ponieważ nie wymaga ekstremalnych temperatur i ciśnień. Jest także nie tylko wyjątkowym przewodnikiem ciepła, ale także skutecznym półprzewodnikiem. Ma potencjał, aby osiągnąć lepszą wydajność półprzewodnikową niż krzem dzięki takim właściwościom, jak wysoka przewodność cieplna, szersza przerwa energetyczna, znacznie wyższa ruchliwość nośników zarówno w elektronach, jak i dziurach oraz dobrze dopasowany współczynnik rozszerzalności cieplnej.
– Ten nowy materiał jest naprawdę wspaniały. Ma najlepsze właściwości dobrego półprzewodnika i dobrego przewodnika ciepła – wszystkie dobre właściwości w jednym materiale. Nigdy wcześniej nie zdarzyło się to w przypadku innych materiałów półprzewodnikowych – powiedział Ren.
Naukowcy z Texas Center for Superconductivity będą nadal udoskonalać swoje materiały, mając nadzieję, że dzięki temu przewodność cieplna BA będzie jeszcze wyższa.
Źródło: Uniwersytet w Houston
Czytaj też: Student z Polski twórcą teleskopu satelitarnego prezentowanego w USA
Grafika tytułowa: Alexandre Debiève / Unsplash
