Материал уникален, потому что совмещает крайне редкие свойства выдающегося теплопроводника и полупроводника.
Ученые из Университета Хьюстона открыли материал, который может изменить все, что мы знали о теплопроводности. Арсенид бора оказался способным проводить тепло лучше, чем алмаз, который десятилетиями считался эталоном. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Today.
Рекорд для кристалла
«Мы уверены в точности наших измерений, и это показывает, что существующая теория нуждается в уточнении», — подчеркнул профессор Чжифэн Жэнь.
Он добавил, что прежние модели предсказывали меньшее значение, потому что не учитывали всех особенностей кристалла. Ранее считалось, что ограничения теплопроводности арсенида бора связаны с внутренними колебаниями атомов — так называемым «четырехфононным рассеянием». Эти эффекты постоянно снижали показатели материала в экспериментах.
Команда Жэня предположила, что примеси в кристаллах мешают полному раскрытию потенциала. После очистки исходного арсенида и усовершенствования методов синтеза ученым удалось получить исключительно чистые кристаллы. Результат превзошел все теоретические ожидания.
«Наши измерения показывают, что реальный материал способен на большее, чем предсказывала теория», — повторил профессор.
В лаборатории исследователи измерили теплопроводность чистейших кристаллов арсенида бора и получили более 2100 Вт/мК при комнатной температуре, что выше любых известных значений для алмаза. Для сравнения, теплопроводность лучших алмазов обычно составляет около 2000 Вт/мК.
Почему это открытие важно
Теплопроводность — ключевой фактор для современных технологий. Любой чип или процессор нагревается при работе. Если тепло отводится плохо, компоненты перегреваются, теряют эффективность и быстрее выходят из строя. Новый рекорд арсенида бора открывает возможность создавать более быстрые и долговечные устройства.
Жэнь отмечает: «Это позволяет электронике оставаться холодной даже при высокой нагрузке».
Арсенид бора уникален, потому что совмещает свойства выдающегося теплопроводника и полупроводника. Обычно такие характеристики крайне редки. Это делает его перспективной альтернативой кремнию, который лежит в основе современных чипов. Арсенид бора проще интегрировать в микросхемы, чем алмаз, он обладает более широким энергетическим зазором (band gap) и высокой подвижностью электронов и дырок (эффективная частица, которая обозначает отсутствие электрона в валентной зоне кристалла) — важными характеристиками для производительных электронных схем.
Потенциал для технологий будущего
Материал может использоваться в высокопроизводительных вычислениях, системах искусственного интеллекта и энергетической электронике, где перегрев ограничивает возможности оборудования. Коэффициент термического расширения арсенида бора также хорошо согласуется с современными микросхемами, что облегчает его практическое применение.
Сравнение с алмазом особенно интересно, потому что десятилетиями он считался наилучшим изотропным материалом, то есть материалом с одинаковыми свойствами во всех направлениях. Многие инженеры пытались создать альтернативы, но безуспешно. Ранее модели учитывали только идеальные условия, не предполагая, что примеси и дефекты могут существенно влиять на результаты. Новый подход с очисткой и улучшенной синтезирующей техникой доказал, что потенциал материала можно раскрыть полностью.