Om din bärbara dator eller mobiltelefon börjar kännas varm efter att ha spelat timmar av tv-spel eller kört för många appar samtidigt, dessa enheter faktiskt gör sitt jobb.

Att föra bort värme från kretsarna i en dators inre till den yttre miljön är avgörande:överhettade datorchips kan göra att program körs långsammare eller fryser, stäng av enheten helt eller orsaka permanent skada.

Eftersom konsumenterna efterfrågar mindre, snabbare och kraftfullare elektroniska enheter som drar mer ström och genererar mer värme, frågan om värmehantering närmar sig en flaskhals. Med nuvarande teknik, det finns en gräns för hur mycket värme som kan avledas inifrån och ut.

Forskare vid University of Texas i Dallas och deras medarbetare vid University of Illinois i Urbana-Champaign och University of Houston har skapat en potentiell lösning, beskrivs i en studie publicerad online den 5 juli i tidskriften Vetenskap .

Bing Lv (uttalas "kärlek"), biträdande professor i fysik vid School of Natural Sciences and Mathematics vid UT Dallas, och hans kollegor producerade kristaller av ett halvledande material som kallas borarsenid som har en extremt hög värmeledningsförmåga, en egenskap som beskriver ett materials förmåga att transportera värme.

"Värmehantering är mycket viktig för industrier som förlitar sig på datorchips och transistorer, sa Lv, motsvarande författare till studien. "För kraftfulla, liten elektronik, vi kan inte använda metall för att avleda värme eftersom metall kan orsaka kortslutning. Vi kan inte använda kylfläktar eftersom de tar plats. Vad vi behöver är en billig halvledare som också sprider mycket värme."

De flesta av dagens datorchips är gjorda av grundämnet kisel, ett kristallint halvledande material som gör ett tillräckligt jobb med att avleda värme. Men kisel, i kombination med annan kylteknik som är inbyggd i enheter, klarar bara så mycket.

Diamant har den högsta kända värmeledningsförmågan, runt 2, 200 watt per meter-kelvin, jämfört med cirka 150 watt per meter-kelvin för kisel. Även om diamant ibland har inkorporerats i krävande värmeavledningstillämpningar, kostnaden för naturliga diamanter och strukturella defekter i konstgjorda diamantfilmer gör materialet opraktiskt för utbredd användning inom elektronik, sa Lv.

Under 2013, forskare vid Boston College och Naval Research Laboratory publicerade forskning som förutspådde borarsenid potentiellt skulle kunna fungera lika bra som diamant som en värmespridare. 2015, Lv och hans kollegor vid University of Houston producerade framgångsrikt sådana borarsenidkristaller, men materialet hade en ganska låg värmeledningsförmåga, runt 200 watt per meter-kelvin.

Sedan dess, Lvs arbete på UT Dallas har fokuserat på att optimera kristalltillväxtprocessen för att öka materialets prestanda.

"Vi har arbetat med den här forskningen de senaste tre åren, och har nu fått upp värmeledningsförmågan till ca 1, 000 watt per meter-kelvin, som är näst efter diamant i bulkmaterial, " sa Lv.

Lv arbetade med postdoktor Sheng Li, medförfattare till studien, och fysik doktorand Xiaoyuan Liu, också en studieförfattare, att skapa kristallerna med hög värmeledningsförmåga vid UT Dallas med en teknik som kallas kemisk ångtransport. Råvarorna – grundämnena bor och arsenik – placeras i en kammare som är varm i ena änden och kall i den andra. Inne i kammaren, en annan kemikalie transporterar bor och arsenik från den varma änden till den kallare änden, där elementen kombineras för att bilda kristaller.

"För att hoppa från våra tidigare resultat på 200 watt per meter-kelvin upp till 1, 000 watt per meter-kelvin, vi behövde justera många parametrar, inklusive de råvaror vi började med, temperaturen och trycket i kammaren, även vilken typ av slang vi använde och hur vi rengjorde utrustningen, " sa Lv.

David Cahill och Pinshane Huangs forskargrupper vid University of Illinois i Urbana-Champaign spelade en nyckelroll i det aktuella arbetet, studerar defekter i borarsenidkristallerna genom den senaste elektronmikroskopi och mäter värmeledningsförmågan hos de mycket små kristallerna som produceras vid UT Dallas.

"Vi mäter värmeledningsförmågan med hjälp av en metod som utvecklats i Illinois under de senaste dussin åren som kallas 'tidsdomän termoreflektans' eller TDTR, sa Cahill, professor och prefekt för Institutionen för materialvetenskap och teknik samt motsvarande författare till studien. "TDTR gör det möjligt för oss att mäta värmeledningsförmågan hos nästan vilket material som helst över ett brett spektrum av förhållanden och var avgörande för framgången för detta arbete."

Sättet värme avleds i borarsenid och andra kristaller är kopplat till materialets vibrationer. När kristallen vibrerar, rörelsen skapar energipaket som kallas fononer, som kan ses som kvasipartiklar som bär värme. Lv sa att de unika egenskaperna hos borarsenidkristaller - inklusive massaskillnaden mellan bor- och arsenikatomerna - bidrar till fononernas förmåga att resa mer effektivt bort från kristallerna.

"Jag tror att borarsenid har stor potential för framtidens elektronik, " sa Lv. "Dess halvledande egenskaper är mycket jämförbara med kisel, Det är därför det skulle vara idealiskt att införliva borarsenid i halvledande enheter."

Lv sa att även om grundämnet arsenik i sig kan vara giftigt för människor, när det väl är inkorporerat i en förening som borarsenid, materialet blir mycket stabilt och giftfritt.

Nästa steg i arbetet kommer att inkludera att prova andra processer för att förbättra tillväxten och egenskaperna hos detta material för storskaliga applikationer, sa Lv.