Ученые из Университета Хьюстона совершили прорыв в исследовании теплопередачи, опровергнув давно устоявшиеся представления о термической проводимости. Их новые данные показывают, что арсенид бора (BAs) способен проводить тепло эффективнее алмаза, который традиционно считался эталоном среди изотропных материалов.
Исследовательская группа обнаружила, что при производстве кристаллов арсенида бора исключительной чистоты они могут достигать значений теплопроводности более 2100 ватт на метр на Кельвин (Вт/мК) при комнатной температуре – возможно, превосходя сам алмаз.
Исследование, опубликованное в журнале Materials Today, бросает вызов существующим теоретическим моделям и может изменить представления ученых о движении тепла в твердых материалах. Эти результаты также указывают на перспективный новый полупроводниковый материал для устройств, требующих передового терморегулирования, включая смартфоны, мощную электронику и центры обработки данных.
«Наши измерения точны; наши данные верны, и это означает, что теорию необходимо скорректировать», – отмечает Чжифэн Жэнь, профессор физики Университета Хьюстона и ведущий автор исследования. – «Я не говорю, что теория неверна, но необходима корректировка, чтобы она соответствовала экспериментальным данным».
Это открытие стало результатом сотрудничества Техасского центра сверхпроводимости Университета Хьюстона (которым руководит Жэнь), Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Бостонского колледжа.
На протяжении более десяти лет арсенид бора интриговал ученых. В 2013 году Дэвид Бройдо, физик из Бостонского колледжа и соавтор исследования, предсказал, что BAs теоретически может проводить тепло так же эффективно или даже лучше, чем алмаз. Однако пересмотренные модели 2017 года добавили сложный фактор, известный как четырехфононное рассеяние, который снизил прогнозируемую производительность примерно до 1360 Вт/мК. Это заставило многих в этой области отказаться от идеи, что BAs может превзойти теплопроводность алмаза.
Тем не менее группа Жэня подозревала, что проблема заключалась не во врожденной способности материала, а в его примесях. Более ранние экспериментальные образцы содержали дефекты, которые ограничивали производительность примерно до 1300 Вт/мК, что значительно ниже идеальных условий, используемых в теоретических прогнозах.
Усовершенствовав исходный мышьяк и разработав улучшенные методы синтеза, команда под руководством Университета Хьюстона создала кристаллы арсенида бора со значительно меньшим количеством дефектов. При тестировании эти высокочистые образцы продемонстрировали выдающуюся теплопроводность свыше 2100 Вт/мК – превзойдя не только более ранние экспериментальные результаты, но и сам теоретический максимум.
Это достижение подтверждает, что чистота материала играет решающую роль в эффективности теплопередачи, и открывает путь к созданию еще более эффективных теплопроводящих материалов.
Значение этого прорыва выходит далеко за рамки лабораторных измерений. Арсенид бора способен революционизировать электронику и полупроводниковые технологии, предоставляя материал, который одновременно эффективно рассеивает тепло и действует как высококачественный полупроводник.
Его преимущества включают:
* Более простое и экономичное производство по сравнению с алмазом, без необходимости экстремальных температур или давления.
* Исключительную теплопроводность в сочетании с эффективными полупроводниковыми свойствами.
* Потенциально превосходную электронную производительность по сравнению с кремнием благодаря высокой подвижности носителей заряда, широкой запрещенной зоне и хорошо подобранному коэффициенту теплового расширения.
«Этот новый материал настолько замечателен», – делится Жэнь. – «Он обладает лучшими свойствами хорошего полупроводника и хорошего теплопроводника – всевозможными превосходными характеристиками в одном материале. Такое никогда не случалось с другими полупроводниковыми материалами».
Хотя это открытие знаменует собой новый рубеж, работа продолжается. Исследователи Техасского центра сверхпроводимости планируют и дальше совершенствовать свои методы, стремясь еще больше увеличить производительность арсенида бора.
Исследование является частью проекта Национального научного фонда стоимостью 2,8 миллиона долларов, возглавляемого Болином Ляо из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, при участии Университета Хьюстона, Университета Нотр-Дам и Калифорнийского университета в Ирвайне. Исследование также получает частичную поддержку от промышленного партнера Qorvo.
Жэнь призывает ученых пересмотреть существующие модели и оспаривать теоретические предположения, которые могли недооценивать такие материалы, как BAs. «Нельзя позволять теории мешать открытию чего-то еще более значительного, и именно это произошло в данной работе», – заключает Жэнь.
