Forskare vid University of Houston har upptäckt att hög renhetsgradiga borarsenidkristaller leder värme bättre än diamant, och når över 2 100 watt per meter per Kelvin vid rumstemperatur. Detta genombrott utmanar befintliga teorier och lovar framsteg inom elektronik. Resultaten publicerades i Materials Today.
Forskare har länge betraktat diamant som den ultimata isotropa värmeledaren, men en ny studie ledd av University of Houston visar att borarsenid (BAs) kan överträffa den under idealiska förhållanden. Forskningen, utförd av Texas Center for Superconductivity vid University of Houston i samarbete med University of California, Santa Barbara, och Boston College, demonstrerar att exceptionellt rena BAs-kristaller uppnår värmeledningsförmåga över 2 100 W/mK vid rumstemperatur – potentiellt överträffande diamantens prestanda.
Resan började för över ett decennium sedan. År 2013 förutspådde fysikern David Broido vid Boston College att BAs kunde matcha eller överträffa diamant i värmeledning. Dock sänkte teoretiska modeller från 2017 som inkluderade fyrfonon-spridning förväntningarna till cirka 1 360 W/mK, vilket ledde till att många avfärdade materialets potential. Tidiga experiment gav endast cirka 1 300 W/mK på grund av föroreningar i kristallerna.
Zhifeng Ren, professor i fysik vid University of Houston och studiens korresponderande författare, misstänkte att defekter, inte inneboende begränsningar, var problemet. Genom att förädla rå arsenik och förbättra syntesmetoder producerade hans team renare kristaller som krossade tidigare rekord. "Vi litar på vår mätning; våra data är korrekta och det betyder att teorin behöver korrigering," sade Ren. "Jag säger inte att teorin är fel, men en justering måste göras för att vara konsistent med de experimentella data."
Denna upptäckt belyser den kritiska rollen för materialets renhet i termisk prestanda och skulle kunna transformera halvledarteknologi. Till skillnad från diamant, som kräver extrema förhållanden för att produceras, erbjuder BAs enklare och mer kostnadseffektiv tillverkning samtidigt som den kombinerar överlägsen värmeavledning med starka halvledaregenskaper, inklusive hög bärar mobilité och ett brett bandgap. "Detta nya material är så underbart," tillade Ren. "Det har de bästa egenskaperna hos en bra halvledare och en bra värmeledare – alla sorters bra egenskaper i ett enda material. Det har aldrig hänt i andra halvledarmaterial."
Arbetet är en del av ett 2,8 miljoner dollar NSF-projekt ledd av Bolin Liao vid UC Santa Barbara, som involverar University of Houston, University of Notre Dame och UC Irvine, med stöd från industripartnern Qorvo. Forskare planerar att ytterligare förädla BAs för att pressa gränserna ännu mer. Som Ren noterade, "Du bör inte låta en teori hindra dig från att upptäcka något ännu större, och det är exakt vad som hände i detta arbete." Studien utmanar forskare att ompröva modeller och utforska underskattade material för tillämpningar i smartphones, högpresterande elektronik och datacenter.