Forskare har länge vetat att diamant är det bästa materialet för att leda värme, men det har nackdelar:det är dyrt och är en elektrisk isolator; när den är ihopparad med en halvledarenhet, diamant expanderar i en annan takt än enheten gör när den värms upp.

Nu har en grupp forskare från runt om i USA rapporterat att en kristall odlad från två relativt vanliga mineralämnen - bor och arsenik - visar mycket högre värmeledningsförmåga än någon annan halvledare och metall som för närvarande används, inklusive kisel, kiselkarbid, koppar och silver.

Upptäckten har potential att ta itu med en rad tekniska utmaningar, inklusive kylning av elektroniska enheter och nanoenheter, sade fysikern Zhifeng Ren, en forskare vid Texas Center for Superconductivity vid University of Houston och en av motsvarande författare på tidningen som tillkännager upptäckten, publicerad torsdag, 5 juli, i tidningen Vetenskap .

Värmeledningsförmåga mäts i enheten Wm-1K-1, används för att beteckna mängden värme som kan passera genom ett material som är en meter långt när temperaturskillnaden från ena sidan till den andra är 1 grad Kelvin. Bor-arsenidkristallen har en konduktivitet som överstiger 1, 000 vid rumstemperatur, rapporterade forskarna.

Koppar, i jämförelse, har en konduktivitet på cirka 400; diamant har en rapporterad värmeledningsförmåga på 2, 000.

Tidigare rapporterade ansträngningar för att syntetisera bor-arsenid har gett kristaller som mäter mindre än 500 mikrometer - för små för användbar tillämpning.

Men forskarna har nu rapporterat växande kristaller större än 4 millimeter gånger 2 millimeter gånger 1 millimeter. En större kristall skulle kunna produceras genom att förlänga växttiden utöver de 14 dagar som användes för experimentet, sa de.

Arbetar med Tom Reinecke vid Naval Research Lab och Lucas Lindsay vid Oak Ridge National Laboratory, David Broido, en teoretisk fysiker vid Boston College och en av författarna till tidningen, föreslog först att kombinationen skulle kunna ge en kristall med hög värmeledningsförmåga, trotsar den konventionella teorin att ultrahög gittervärmeledningsförmåga endast kan förekomma i kristaller som består av starkt bundna lätta element, begränsad av anharmoniska tre-fononprocesser.

Detta arbete bekräftar teorin, även om det tog ett tag. Flera forskare involverade i den aktuella publikationen, tillsammans med Bing Lv, sedan forskare vid UH och nu fakultetsmedlem vid University of Texas-Dallas, rapporterade att syntetisera en liten kristall med en konduktivitet på cirka 200 år 2015.

Efterföljande arbete i Rens labb resulterade i den större, mer högledande kristall rapporterats i Vetenskap .

Broido kallade bekräftelsen för ett "exempel på samverkan mellan teorier, materialsyntes och mätning. Att detta uppnåddes och teorin bekräftades är ett bevis på uthålligheten och skickligheten hos syntes- och mätteamen."

Paul Ching-Wu Chu, T.L.L. Temple Chair of Science vid UH och grundare av Texas Center for Superconductivity, sade att kombinera bor med arsenik var en komplex utmaning.

"Obalansen mellan de fysiska egenskaperna hos bor och arsenik gör syntesen av borarsenid extremt svår och bor-arsenid enkristaller nästan omöjlig, " han sa.

Forskarna skapade kristallen med hjälp av kemisk ångtransport, komplicerat av det faktum att bor har en smältpunkt på 2, 076 grader Celsius, medan arsenik ändras direkt från ett fast ämne till en gas.

Medförfattare Shuo Chen, biträdande professor i fysik vid UH, sa att kristallen kan vara användbar för att kyla elektroniska enheter.

"Värmeavledning är avgörande för elektronik med hög effektdensitet, " sa hon. "Därför, material med hög värmeledningsförmåga är nödvändiga för att fungera som substrat i elektronik med hög effekttäthet."

Potentialen för en halvledare med hög värmeledningsförmåga är enorm, sa Chen.

"Med femto-sekund laserpulser, vi kunde mäta den termiska konduktiviteten hos bor-arsenidkristallerna, " lade Bai Song till, en postdoktor som leds av professor Gang Chen vid MIT:s avdelning för maskinteknik. "En sådan hög värmeledningsförmåga gör bor-arsenid attraktiv för mikroelektroniska applikationer både som enhetsmaterial och som kylflänsmaterial."

Projektet finansierades av U.S. Navy's Multidisciplinary University Research Initiative, leds av Li Shi, professor i maskinteknik vid University of Texas i Austin.

Shi noterade att teammedlemmar vid UT-Austin och MIT utarbetade fyra olika metoder för att validera borarsenid som den första kända halvledaren med en värmeledningsförmåga så hög som 1000 Wm-1 K-1 vid rumstemperatur.

Nästa steg, han sa, kommer att vara "att utforska enhetsteknologier med borarsenid-bulkkristallerna."