Forskare vid UCLA, för första gången, experimentellt realiserade en ny sammansatt enkristall, borarsenid (BA) och undersökte dess gräns för värmeledningsförmåga när kristaller är fria från defekter. De observerade den högsta isotropa värmeledningsförmågan, 1300 W/mK, bortom alla vanliga metaller och halvledare. Denna studie etablerade ett nytt riktmärke för termiska material som potentiellt kan revolutionera termisk hanteringsteknik inom elektronik och fotonik. Detta arbete rapporteras i tidningen "Experimental Observation of High Thermal Conductivity in Boron Arsenide, "publicerad online den här veckan i Vetenskap .

Forskarna har utvecklat ett termiskt ultraledande halvledarmaterial som dramatiskt kan sänka uppvärmningstemperaturen och effektivt ta bort spillvärmen som genereras av datorer och andra elektroniska eller fotoniska enheter. Det är mer effektivt för att dra värme bort från hotspots än någon annan halvledare eller metall och kan potentiellt revolutionera de nuvarande teknikparadigmen för elektronisk termisk hantering. Studien leddes av professor Yongjie Hu från mekanisk och rymdteknik, och alla andra författare är UCLA-studenter vid Hu's forskargrupp (H-Lab):Joonsang Kang, Man Li, Huan Wu, och Huuduy Nguyen.

Datorer värms upp eftersom elektronerna som färdas genom processorerna och kretsarna genererar värme när de rör sig runt, till exempel, deras interaktion med galler. Värme försämrar datorprestanda, så att datorprocessorerna inte blir för varma är därför smartphones har ett kylfläns, eller varför stationära datorer har fläktar för att blåsa ut varm luft. Stora datacenter med tusentals datorer kräver mycket extra energi för sina högteknologiska kylsystem.

Eftersom datorprocessorer har fortsatt att krympa till storlekar där miljarder transistorer finns på ett enda chip, värme har alltmer blivit en större faktor i deras prestanda. Om dessa processorer inte blev lika heta i första hand, då skulle mycket mindre energi behövas för att hålla dem svala. Att hantera den värmen är en av de största vägspärrarna för nya enheter som datorprocessorer eller lysdioder.

Med det målet i åtanke, UCLA -teamet satte sig för att utveckla ett halvledarmaterial som är mycket bättre på att hantera värme som nuvarande bäst presterande.

Detta UCLA -team rapporterade för första gången, den experimentella insikten av borarsenid fri från defekter med den högsta värmeledningsförmågan (1300 W/mK) bland alla vanliga halvledarmaterial och metaller. Värme som koncentreras till hot spots i datorchips försvinner snabbt och spolas bort på grund av dess unika strukturella och termiska egenskaper. Det nya materialet är tre gånger mer ledande än kiselkarbid och koppar, nuvarande bästa material som används inom värmehanteringsindustrin.

"Detta är ett mycket utmanande arbete som kräver mycket tvärvetenskaplig expertis från exakt materialsyntes, omfattande strukturella karakteriseringar, för noggrann värmetransportmätning och teoretiska beräkningar, "säger Yongjie Hu, en biträdande professor vid Institutionen för maskin- och rymdteknik vid UCLA. "Min grupp har ägnat sig åt denna insats under de senaste åren sedan jag började på UCLA -fakulteten och vi är mycket glada att vårt hårda arbete gav resultat. Resultatet etablerade en riktmärke för termiskt material för många möjligheter inom både grundvetenskap och applikationer . "

Denna studie avslöjar också viktig fysik för termiska transportmekanismer. Värmeegenskaper i fasta ämnen kan beskrivas genom interaktioner mellan fononer, dvs de kvantmekaniska lägena för gittervibrationer. Under många decennier har teoretiker anser att tre-fononprocessen styr termisk transport, och effekterna av fyra-fonon- och högre ordningsprocesser ansågs vara försumbara, vilket faktiskt är det sanna fallet för de vanligaste materialen. Denna studie har betydande inverkan på teorifältet genom att visa att högordens anharmonicitet genom fyra-fononprocesser ger ett viktigt bidrag i defektfria BA-enkristaller. Slutsatsen har stötts av deras experimentella mätning, jämfört med ab initio -beräkningar från oberoende forskargrupper och Hu's -gruppen. Vidare, studien undersökte den ballistiska termiska transportfysiken och förklarade ursprunget till ultrahög värmeledningsförmåga för BA:er på grund av dess långa fononmedelvärde fria vägar.

"Denna prestation och firande bör gå till hela fältet, "Hu sade." Det finns många andra ledande forskargrupper som gör framsteg mot detta mål. Särskilt, denna framgång exemplifierar kraften i att kombinera experiment och ab initio -teori vid upptäckt av nya material, och jag tror att detta tillvägagångssätt kommer att fortsätta att driva de vetenskapliga gränserna för upptäckt av nya material för många områden, inklusive energi, elektronik, och fotonikapplikationer. "