Des chercheurs de l'Université de Houston ont découvert que des cristaux d'arséniure de bore de haute pureté conduisent la chaleur mieux que le diamant, atteignant plus de 2 100 watts par mètre par Kelvin à température ambiante. Cette avancée remet en question les théories existantes et promet des progrès en électronique. Les résultats ont été publiés dans Materials Today.
Les scientifiques considèrent depuis longtemps le diamant comme le conducteur thermique isotrope ultime, mais une nouvelle étude menée par l'Université de Houston révèle que l'arséniure de bore (BAs) peut le surpasser dans des conditions idéales. La recherche, menée par le Texas Center for Superconductivity à l'Université de Houston en collaboration avec l'Université de Californie à Santa Barbara et le Boston College, démontre que des cristaux de BAs exceptionnellement purs atteignent une conductivité thermique supérieure à 2 100 W/mK à température ambiante, potentiellement dépassant les performances du diamant.
Le parcours a commencé il y a plus d'une décennie. En 2013, le physicien David Broido du Boston College a prédit que le BAs pourrait égaler ou surpasser le diamant en conduction de chaleur. Cependant, les modèles théoriques de 2017 incorporant la diffusion à quatre phonons ont abaissé les attentes à environ 1 360 W/mK, amenant beaucoup à rejeter le potentiel du matériau. Les expériences initiales n'ont obtenu que environ 1 300 W/mK en raison d'impuretés dans les cristaux.
Zhifeng Ren, professeur de physique à l'Université de Houston et auteur correspondant de l'étude, soupçonnait que des défauts, et non des limitations inhérentes, étaient le problème. En raffinant l'arsenic brut et en améliorant les méthodes de synthèse, son équipe a produit des cristaux plus purs qui ont pulvérisé les records précédents. « Nous faisons confiance à notre mesure ; nos données sont correctes et cela signifie que la théorie doit être corrigée », a déclaré Ren. « Je ne dis pas que la théorie est fausse, mais un ajustement doit être apporté pour être cohérent avec les données expérimentales. »
Cette découverte met en lumière le rôle critique de la pureté des matériaux dans les performances thermiques et pourrait transformer la technologie des semi-conducteurs. Contrairement au diamant, qui nécessite des conditions extrêmes pour être produit, le BAs offre une fabrication plus facile et plus rentable tout en combinant une dissipation de chaleur supérieure avec de fortes propriétés semi-conductrices, y compris une haute mobilité des porteurs et une large bande interdite. « Ce nouveau matériau est si merveilleux », a ajouté Ren. « Il a les meilleures propriétés d'un bon semi-conducteur et d'un bon conducteur thermique – toutes sortes de bonnes propriétés dans un seul matériau. Cela n'est jamais arrivé dans d'autres matériaux semi-conducteurs. »
Ce travail fait partie d'un projet de 2,8 millions de dollars de la National Science Foundation dirigé par Bolin Liao à l'UC Santa Barbara, impliquant l'Université de Houston, l'Université de Notre Dame et l'UC Irvine, avec le soutien du partenaire industriel Qorvo. Les chercheurs prévoient d'affiner davantage le BAs pour repousser les limites encore plus loin. Comme l'a noté Ren, « Vous ne devriez pas laisser une théorie vous empêcher de découvrir quelque chose d'encore plus grand, et c'est exactement ce qui s'est passé dans ce travail. » L'étude défie les scientifiques à revoir les modèles et à explorer des matériaux sous-estimés pour des applications dans les smartphones, l'électronique haute puissance et les centres de données.