Ett osannolikt material, kubisk borarsenid, kan leverera en utomordentligt hög värmeledningsförmåga - i nivå med branschstandarden som fastställts av kostsam diamant - rapporterar forskare i det aktuella numret av tidskriften Fysiska granskningsbrev .
Upptäckten att den kemiska föreningen av bor och arsenik kan konkurrera med diamant, den mest kända värmeledaren, överraskade teamet av teoretiska fysiker från Boston College och Naval Research Laboratory. Men ett nytt teoretiskt tillvägagångssätt möjliggjorde för teamet att låsa upp hemligheten till borarsenidens potentiellt extraordinära förmåga att leda värme.
Mindre, snabbare och kraftfullare mikroelektroniska enheter utgör den skrämmande utmaningen att ta bort värmen de genererar. Bra värmeledare placerade i kontakt med sådana anordningar kanaliserar värme snabbt bort från oönskade "hot spots" som minskar effektiviteten hos dessa enheter och kan få dem att misslyckas.
Diamant är den mest uppskattade ädelstenen. Men, bortom sin glans och skönhet i smycken, den har många andra anmärkningsvärda egenskaper. Tillsammans med dess kolkusiner grafit och grafen, diamant är den bästa värmeledaren runt rumstemperatur, med värmeledningsförmåga på mer än 2, 000 watt per meter per Kelvin, vilket är fem gånger högre än de bästa metaller som koppar. För närvarande, diamant används i stor utsträckning för att avlägsna värme från datorchips och andra elektroniska enheter. Tyvärr, diamant är sällsynt och dyrt, och högkvalitativ syntetisk diamant är svår och kostsam att tillverka. Detta har fått en sökning efter nya material med ultrahög värmeledningsförmåga, men små framsteg har gjorts de senaste åren.
Diamantens höga värmeledningsförmåga är väl förstådd, till följd av ljusheten hos de ingående kolatomerna och de styva kemiska bindningarna mellan dem, enligt medförfattaren David Broido, professor i fysik vid Boston College. Å andra sidan, borarsenid förväntades inte vara en särskilt bra värmeledare och hade faktiskt uppskattats - med konventionella utvärderingskriterier - ha en värmeledningsförmåga 10 gånger mindre än diamant.
Teamet fann att den beräknade värmeledningsförmågan för kubisk borarsenid är anmärkningsvärt hög, mer än 2000 Watt per meter per Kelvin vid rumstemperatur och högre än diamant vid högre temperaturer, enligt Broido och medförfattare Tom Reinecke, senior forskare vid Naval Research Laboratory, och Lucas Lindsay, en postdoktoral forskare vid NRL som tog sin doktorsexamen vid BC.
Broido sa att laget använde en nyligen utvecklad teoretisk metod för att beräkna värmeledningsförmåga, som de tidigare testat med många andra välstuderade material. Säker på sitt teoretiska tillvägagångssätt, laget tittade närmare på borarsenid, vars värmeledningsförmåga aldrig har mätts.
Till skillnad från metaller, där elektroner bär värme, diamant och borarsenid är elektriska isolatorer. För dem, värme bärs av vibrationsvågor i de ingående atomerna, och kollisionen mellan dessa vågor med varandra skapar ett inneboende motstånd mot värmeflöde. Teamet blev förvånad över att hitta ett ovanligt samspel mellan vissa vibrationsegenskaper i borarsenid som ligger utanför de riktlinjer som vanligtvis används för att uppskatta värmeledningsförmågan hos elektriska isolatorer. Det visar sig att de förväntade kollisionerna mellan vibrationsvågor är mycket mindre sannolika att uppstå i ett visst frekvensområde. Således, vid dessa frekvenser, stora mängder värme kan ledas i borarsenid.
"Detta arbete ger viktig ny inblick i värmetransportens fysik i material, och den illustrerar kraften hos moderna beräkningstekniker för att göra kvantitativa förutsägelser för material vars värmeledningsförmåga ännu inte har mätts, "sa Broido." Vi är glada över att se om vårt oväntade fynd för borarsenid kan verifieras genom mätning. Om så är fallet, det kan öppna nya möjligheter för passiva kylapplikationer med hjälp av borarsenid, och det skulle ytterligare visa den viktiga roll som sådant teoretiskt arbete kan spela när det gäller användbar vägledning för att identifiera nya material med hög värmeledningsförmåga. "
