اكتشف باحثون في جامعة هيوستن أن بلورات أرسينيد البورون عالية النقاء تؤدي توصيل الحرارة بشكل أفضل من الماس، حيث تصل إلى أكثر من 2100 واط لكل متر لكل كلفن عند درجة حرارة الغرفة. يتحدى هذا الاختراق النظريات الحالية ويعد بتقدم في مجال الإلكترونيات. تم نشر النتائج في مجلة Materials Today.
لطالما اعتبر العلماء الماس كأفضل موصل حراري إيزوتروبي، لكن دراسة جديدة بقيادة جامعة هيوستن تكشف أن أرسينيد البورون (BAs) يمكن أن يتفوق عليه في الظروف المثالية. أجرت البحث مركز تكساس للتوصيل الفائق في جامعة هيوستن بالتعاون مع جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا وكلية بوسطن، وتظهر أن بلورات BAs نقية للغاية تحقق موصلية حرارية تزيد عن 2100 واط/م كلفن عند درجة حرارة الغرفة، مما قد يتجاوز أداء الماس.
بدأ الرحلة منذ أكثر من عقد. في عام 2013، تنبأ الفيزيائي ديفيد برويدو من كلية بوسطن بأن BAs يمكن أن يطابق أو يتفوق على الماس في توصيل الحرارة. ومع ذلك، أدت نماذج نظرية في عام 2017 التي تضمنت تشتت أربعة فونون إلى خفض التوقعات إلى حوالي 1360 واط/م كلفن، مما أدى إلى رفض الكثيرين لإمكانيات المادة. أنتجت التجارب المبكرة فقط حوالي 1300 واط/م كلفن بسبب الشوائب في البلورات.
يشك في تشي فينغ رين، أستاذ الفيزياء في جامعة هيوستن ومؤلف الدراسة المقابل، أن العيوب، وليس القيود الجوهرية، كانت المشكلة. من خلال تهيئة الزرنيخ الخام وتحسين طرق التركيب، أنتج فريقه بلورات أنقى حطمت السجلات السابقة. "نثق بقياسنا؛ بياناتنا صحيحة وهذا يعني أن النظرية بحاجة إلى تصحيح"، قال رين. "لا أقول إن النظرية خاطئة، لكن يجب إجراء تعديل لتكون متسقة مع البيانات التجريبية."
يبرز هذا الاكتشاف الدور الحاسم لنقاء المادة في الأداء الحراري وقد يحول تقنية أشباه الموصلات. بخلاف الماس، الذي يتطلب ظروفًا قاسية للإنتاج، يقدم BAs تصنيعًا أسهل وأكثر تكلفة فعالة مع دمج تبديد حراري فائق مع خصائص أشباه موصلات قوية، بما في ذلك حركية حامل عالية وفجوة طاقة واسعة. "هذه المادة الجديدة رائعة جدًا"، أضاف رين. "لديها أفضل خصائص لنصف موصل جيد، وموصل حراري جيد—كل أنواع الخصائص الجيدة في مادة واحدة. هذا لم يحدث أبدًا في مواد أشباه الموصلات الأخرى."
يُعد العمل جزءًا من مشروع مؤسسة العلوم الوطنية بقيمة 2.8 مليون دولار بقيادة بولين لياو في جامعة كاليفورنيا سانتا باربرا، يشمل جامعة هيوستن، جامعة نوتردام، وجامعة كاليفورنيا إيرفاين، بدعم من الشريك الصناعي Qorvo. يخطط الباحثون لتهيئة BAs أكثر لدفع الحدود أبعد. كما لاحظ رين، "لا يجب أن تسمح النظرية لك بمنع اكتشاف شيء أكبر، وهذا هو ما حدث بالضبط في هذا العمل." تتحدى الدراسة العلماء لإعادة النظر في النماذج واستكشاف المواد المُقلل من شأنها للتطبيقات في الهواتف الذكية، الإلكترونيات عالية الطاقة، ومراكز البيانات.