ヒューストン大学の研究者らが、高純度のホウ素ヒ化物結晶がダイヤモンドよりも熱を優れて伝導することを発見し、室温で2,100ワット毎メートル毎ケルビンを超える。これは既存の理論に挑戦し、電子機器の進歩を約束する。発見はMaterials Todayに掲載された。
科学者たちは長年、ダイヤモンドを究極の等方性熱伝導体と見なしてきましたが、ヒューストン大学主導の新しい研究は、理想的な条件下でホウ素ヒ化物（BAs）がそれを上回ることを明らかにしています。この研究は、ヒューストン大学のテキサス超伝導センターが、カリフォルニア大学サンタバーバラ校とボストン・カレッジとの協力で実施され、極めて純度の高いBAs結晶が室温で2,100 W/mKを超える熱伝導率を達成することを示しており、ダイヤモンドの性能を潜在的に上回る可能性があります。
この旅は10年以上前に始まりました。2013年、ボストン・カレッジの物理学者デビッド・ブロイドは、BAsが熱伝導でダイヤモンドに匹敵するか上回る可能性を予測しました。しかし、2017年の理論モデルで4フォノン散乱を組み込むと期待値は約1,360 W/mKに低下し、多くの人がこの材料の可能性を否定しました。初期の実験では、結晶中の不純物のため約1,300 W/mKしか得られませんでした。
ヒューストン大学の物理学教授で本研究の責任著者であるZhifeng Renは、欠陥が本質的な制限ではなく問題だと疑いました。生のヒ素を精製し、合成方法を改善することで、彼のチームはより清浄な結晶を生成し、以前の記録を打ち破りました。「私たちの測定を信頼しています；データは正しく、これは理論の修正を意味します」とRenは述べました。「理論が間違っているとは言っていませんが、実験データと一致させるために調整が必要です。」
この発見は、材料の純度が熱性能に果たす重要な役割を強調し、半導体技術を変革する可能性があります。ダイヤモンドとは異なり、極端な条件を必要とするのに対し、BAsはより簡単でコスト効果の高い製造を提供し、優れた熱放散と強力な半導体特性を組み合わせ、高いキャリア移動度と広いバンドギャップを含みます。「この新しい材料は素晴らしいです」とRenは付け加えました。「良い半導体の最高の特性と良い熱伝導体を備え、一つの材料にさまざまな優れた特性が揃っています。他の半導体材料ではこれまで起こりませんでした。」
この研究は、UCサンタバーバラ校のBolin Liaoが主導する280万ドルの国立科学財団プロジェクトの一部で、ヒューストン大学、ノートルダム大学、UCアーバインを巻き込み、産業パートナーQorvoの支援を受けています。研究者たちはBAsをさらに精製して限界を押し広げる計画です。Renが指摘したように、「理論がより大きな発見を妨げてはなりません、そしてこの研究でまさにそれが起こりました。」この研究は、科学者たちにモデルを見直し、過小評価された材料をスマートフォン、高出力電子機器、データセンターのアプリケーションを探求するよう促します。