Ett internationellt team av fysiker, materialvetare, och mekaniska ingenjörer har bekräftat den höga värmeledningsförmågan som förutses i isotopiskt berikad kubisk bornitrid, forskarna rapporterar i den elektroniska tidningen i förväg Vetenskap .

Materialets värmeledningsförmåga förmedlar hur mycket värme som kan passera genom det när dess ändar är vid olika temperaturer. Material med mycket hög värmeledningsförmåga har viktiga tekniska tillämpningar, såsom kylmikroelektronik. Men väldigt få av dem har upptäckts.

Teoretiker hade förutspått att isotopiskt ren kubisk bornitrid (c-BN), bör ha extremt hög värmeledningsförmåga - andra bara till kristaller gjorda av kol, som diamant.

"Vi ville avgöra om högkvalitativt c-BN faktiskt kan fås att observera de stora värmeledningsförmågan i c-BN, och om den enorma ökningen av värmeledningsförmågan med isotoprening som förutses från teoretiska beräkningar mäts i det verkliga materialet, "sade professor i fysik vid Boston College David Broido, medförfattare till rapporten.

c-BN är särskilt utmanande att göra. Också, det är svårt att mäta värmeledningsförmågan exakt när värdet är högt. Teamet övervann dessa utmaningar, och de uppmätta värmekonduktivitetsvärdena för c-BN-proverna var ganska nära de som de hade beräknat.

"Studien bekräftar c-BN som ett av endast en handfull ultrahög värmeledningsförmåga, och visar att den har den största ökningen av dess värmeledningsförmåga vid isotopberikning som någonsin observerats, "Sa Broido.

Teamet studerade också de relaterade föreningarna, borfosfid (BP) och borarsenid (BA). De flesta element i naturen har blandningar av isotoper, Broido förklarade. Till exempel, naturligt förekommande bor har två isotoper, cirka 20 procent bor-10 och 80 procent bor-11. Dessa olika isotoper i hela materialet ger störningar som ökar det termiska motståndet. Genom att göra materialet med endast en isotop (antingen bara B-10 eller bara B-11) genom isotopberikning, detta motstånd reduceras så att värmeledningsförmågan ökar, han sa.

Av en anmärkningsvärd slump av naturen, elementen kväve, fosfor och arsenik, som naturligt binder till bor för att göra c-BN, BP och BA, har bara en isotop. Så, för dessa föreningar är isotopstörningen endast på boratomerna och är således densamma i alla tre föreningar gjorda med naturligt förekommande bor, Sa Broido. Än, isotopberikning av boratomer gav en fördubbling av värmeledningsförmågan för c-BN, men mycket mindre ökningar för BP och BA.

Bor- och kväveatomerna har ungefär samma massa, medan arsenik och fosfor är tyngre.

"Vi visade att de större arsenik- och fosformassorna jämfört med bor orsakade att isotopstörningen i BA och BP endast gav liten motståndskraft mot värmeflöde, "sa Broido, som utförde teoretiska beräkningar med Boston College post-doktorand Navaneetha K. Ravichandran. "Det är som om isotopstörningen blir osynlig för värmen som strömmar genom BA- och BP -proverna."

I kontrast, avlägsnande av samma mängd störning genom isotopberikning i c-BN resulterar i en enorm ökning av värmeledningsförmågan.

I alla, 24 forskare bidrog till projektet. Förutom Boston College, teamet inkluderade forskargrupperna för Gang Chen vid MIT, David Cahill vid University of Illinois, Urbana-Champaign, Li Shi vid University of Texas i Austin, Bing Lv vid University of Texas i Dallas, Zhifeng Ren vid University of Houston, och Takashi Taniguchi vid Japans nationella institut för materialvetenskap.

"Det var fantastiskt att se de uppmätta data och teoretiska beräkningar konsekvent stämma så nära med varandra. Teorin har inga parametrar i den som kan justeras för att passa mätningarna. Den stämmer antingen med mätningarna eller så gör den inte, "sa Broido." Det utmärkta avtalet belyser teorins riktighet, mätningens precision, och provernas höga renhet. "

Broido sa att ytterligare undersökning behövs för att bättre förstå vilka typer av defekter som uppstår i c-BN som verkar för att minska dess värmeledningsförmåga. Eftersom sådana ultrahöga värmeledningsförmåga är så sällsynta, han hoppas att teoretiska och beräknade sökningar kan identifiera nya kandidater och avslöja mysterierna kring deras vanliga egenskaper.