Arsenek boru bije rekord. Nowy materiał wyprzedza diament
Dotychczas diament uchodził za niekwestionowanego lidera wśród materiałów izotropowych pod względem przewodnictwa cieplnego. Badania opublikowane w czasopiśmie Materials Today pokazują jednak, że arsenek boru osiąga wartości przekraczające 2100 watów na metr na kelwin w temperaturze pokojowej. To wynik lepszy niż w przypadku diamentu, który dotąd uznawano za szczyt możliwości w tej dziedzinie. Różnica może wydawać się niewielka, lecz w mikroświecie elektroniki ma fundamentalne znaczenie. Lepsze odprowadzanie ciepła oznacza wyższą wydajność i dłuższą żywotność urządzeń, co jest szczególnie istotne przy obecnym tempie miniaturyzacji.
Czytaj też: Ocean krył sekret materiału budowlanego przyszłości. Nowy beton nie daje szans konkurencji
Najciekawszy w całym odkryciu jest fakt, iż wyniki eksperymentalne wyraźnie odbiegają od teoretycznych przewidywań. Wcześniejsze modele z 2017 roku zakładały, że arsenek boru nie może osiągnąć przewodności wyższej niż 1360 W/mK ze względu na zjawisko rozpraszania czterofononowego.
Ufamy naszym pomiarom; nasze dane są poprawne, a to oznacza, że teoria wymaga korekty – tłumaczy Zhifeng Ren, główny autor badania
To sytuacja, gdy praktyka wyprzedza teorię, zmuszając naukowców do ponownego przemyślenia obowiązujących modeli. Zespół badawczy nie twierdzi, że teoria jest błędna, ale wskazuje na potrzebę jej aktualizacji.
Czystość kluczem do sukcesu. Jak udoskonalono materiał
Sekret rekordowych właściwości arsenku boru tkwi w czystości krystalicznej struktury. Poprzednie próby były ograniczane przez zanieczyszczenia krzemem, węglem i tlenem, co znacząco obniżało przewodność cieplną materiału. Dzięki nowym metodom oczyszczania arsenu udało się wyprodukować kryształy o znacznie mniejszej zawartości domieszek. To właśnie ta poprawa jakości materiału pozwoliła na przekroczenie teoretycznych ograniczeń.
Arsenek boru to nie tylko doskonały przewodnik ciepła, lecz również obiecujący półprzewodnik. Jego właściwości sprawiają, iż może stanowić interesującą alternatywę dla krzemu w niektórych zastosowaniach. Materiał charakteryzuje się szerszą przerwą energetyczną, co pozwala na lepszą kontrolę przepływu prądu oraz wyższą ruchliwością nośników ładunku. Co istotne, jego produkcja nie wymaga tak ekstremalnych warunków jak w przypadku diamentu, co może obniżyć koszty ewentualnego wdrożenia.
Ten nowy materiał jest wspaniały. Ma najlepsze właściwości dobrego półprzewodnika i dobrego przewodnika ciepła – wszystkie dobre właściwości w jednym materiale – dodaje Ren
Potencjalne zastosowania obejmują elektronikę wysokiej mocy, układy sztucznej inteligencji oraz obliczenia wysokiej wydajności. W każdej z tych dziedzin efektywne chłodzenie stanowi obecnie poważne wyzwanie.
Realne szanse i wyzwania. Czy to przełom na miarę krzemu?
Arsenek boru przekroczył barierę 2100 W/mK w warunkach laboratoryjnych, lecz nie ma co jeszcze ogłaszać pełnego sukcesu. Badania otrzymały finansowanie od National Science Foundation i Qorvo, co świadczy o potencjalnym zainteresowaniu rynku. Naukowcy kontynuują prace nad udoskonaleniem materiału, a ich odkrycie już teraz inspiruje nowe badania teoretyczne.
W elektronice często obiecujące materiały laboratoryjne nie sprawdzają się w masowej produkcji. Arsenek boru wydaje się jednak szczególnie interesujący ze względu na kombinację właściwości półprzewodnikowych i termicznych. Jeśli uda się opracować efektywne metody produkcji, może on rzeczywiście znaleźć zastosowanie w kolejnej generacji urządzeń elektronicznych. Obecnie trudno przewidzieć, czy materiał ten zrewolucjonizuje elektronikę, ale z pewnością otwiera nowe możliwości w dziedzinie zarządzania ciepłem w układach scalonych.