Исследователи обнаружили, что арсенид бора превосходит алмаз по теплопроводности, обеспечивая лучшее терморегулирование для электроники.
Исследователи монтируют кристаллы арсенида бора в систему FDTR для измерения теплопроводности.
Хьюстонский университет
Ученые давно называют алмаз лучшим природным проводником тепла, однако теперь эта корона может принадлежать синтетическому кристаллу.
Исследователи из Хьюстонского университета обнаружили, что арсенид бора (BAs) может превосходить алмаз по способности проводить тепло, перевернув представления физиков о теплопроводности.
Исследователи обнаружили, что высококачественные кристаллы арсенида бора достигают теплопроводности свыше 2100 Вт на метр на кельвин (Вт/мК) при комнатной температуре, что, возможно, выше, чем у алмаза.
На протяжении десятилетий алмаз удерживал рекорд среди изотропных материалов, то есть материалов с однородными свойствами во всех направлениях.
Это открытие не только ставит под сомнение существующие теории, но и может кардинально изменить подход к управлению теплом в электронике. Эффективное управление температурой критически важно для производительности и долговечности устройств — от смартфонов до центров обработки данных.
Это открытие может открыть новую эру материалов, которые сделают чипы более холодными, быстрыми и долговечными.
«Мы доверяем нашим измерениям; наши данные верны, а это значит, что теория нуждается в корректировке», — сказал Жифэн Жэнь, автор-корреспондент и профессор кафедры физики Хьюстонского университета.
«Я не говорю, что теория неверна, но необходимо внести корректировки, чтобы она соответствовала экспериментальным данным».
Преодоление барьера
Исследование стало результатом сотрудничества Техасского центра сверхпроводимости Хьюстонского университета, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Бостонского колледжа.
В течение многих лет предполагалось, что арсенид бора может соперничать с алмазом по теплопроводности, однако эксперименты постоянно терпели неудачу.
Ранние модели предсказывали рекордные характеристики, но к 2017 году новые расчёты, учитывающие «четырёхфононное рассеяние», ограничили BA значением 1360 Вт/мК. Пересмотренная теория убедила многих, что BA не смогут превзойти алмаз.
Однако команда Рена подозревала, что примеси в образцах сдерживают распространение материала. Очистив сырой мышьяк и усовершенствовав методы синтеза, они получили сверхчистые кристаллы, превзошедшие теоретический предел — более 2100 Вт/мК.
«Мы доверяем нашим измерениям; наши данные верны, а это значит, что теория нуждается в корректировке», — повторил Рен, подчеркнув, насколько реальные данные опередили математику.
Изменение игры
Преимущества арсенида бора не ограничиваются рекордами. Он не только отличный проводник тепла, но и перспективный полупроводник.
Такое сочетание делает его редким кандидатом на то, чтобы превзойти кремний — основу современной электроники.
К основным преимуществам относятся более простое и дешевое производство по сравнению с алмазом, более широкая запрещенная зона и более высокая подвижность носителей заряда как электронов, так и дырок.
Его коэффициент теплового расширения также хорошо подходит для интеграции микросхем, что делает его идеальным для устройств следующего поколения.
«Этот новый материал просто чудесен, — сказал Рен. — Он сочетает в себе лучшие свойства хорошего полупроводника и хорошего теплопроводника — все эти замечательные свойства в одном материале. Такого ещё не было ни в одном полупроводниковом материале».
Этот прорыв может иметь далеко идущие перспективы применения в аппаратном обеспечении искусственного интеллекта, силовой электронике и высокопроизводительных вычислениях, где перегрев ограничивает инновации.
Тем не менее, исследователи утверждают, что их работа только начинается. Команда планирует усовершенствовать свои методы, чтобы ещё больше повысить эффективность работы BA.
Проект, финансируемый за счет гранта Национального научного фонда в размере 2,8 млн долларов США и промышленного партнера Qorvo, может расширить границы науки о термических материалах.
«Не позволяйте теории мешать вам открыть нечто ещё более грандиозное, — сказал Рен. — Именно это и произошло в этой работе».
Исследование опубликовано в журнале Materials Today.
Sourse: interestingengineering.com
