Ett team av teoretiska fysiker vid U.S.Naval Research Laboratory (NRL) och Boston College har identifierat kubisk borarsenid som ett material med en utomordentligt hög värmeledningsförmåga och potential att överföra värme mer effektivt från elektroniska enheter än diamant, hittills den mest kända värmeledaren.

När mikroelektroniska enheter blir mindre, snabbare och kraftfullare, termisk hantering blir en kritisk utmaning. Detta arbete ger ny insikt i termisk transports natur på en kvantitativ nivå och förutsäger ett nytt material, med ultrahög värmeledningsförmåga, av potentiellt intresse för passiva kylapplikationer.

Beräkning av värmeledningsförmågan för kubiska III-V-borföreningar med hjälp av ett förutsägande första princip-tillvägagångssätt, teamet har funnit att borarsenid (BA) har en anmärkningsvärd värmeledningsförmåga vid rumstemperatur, större än 2, 000 Watt per meter per grad Kelvin (> 2000 Wm ^-1 K ^-1 ). Detta är jämförbart med dem i diamant och grafit, som är de högsta kända bulkvärdena.

Till skillnad från metaller, där elektronerna bär värmen, diamant och borarsenid är elektriska isolatorer. För den senare typen av material bärs värme av vibrationsvågor (fononer) av de ingående atomerna, och inneboende motstånd mot värmeflöde är ett resultat av att dessa vågor sprids från varandra. Diamant är av intresse för kylapplikationer, men det är knappt och dess syntetiska tillverkning lider av långsamma tillväxthastigheter, höga kostnader och låg kvalitet. Dock, hittills har lite framsteg gjorts med att identifiera nya högt termiskt ledande material.

Historiskt sett, helt mikroskopisk, parameterfria beräkningsmaterialtekniker har varit mer avancerade för elektroniska egenskaper än för termisk transport.

"Under de senaste åren med bidrag från NRL-teamet, "ab initio" kvantitativa tekniker har utvecklats för termisk transport, " sa Dr. Thomas L. Reinecke, fysiker, Electronics Science and Technology Division. "Dessa tekniker öppnar vägen för en fullständigare förståelse av de viktigaste fysiska egenskaperna vid värmetransport och för möjligheten att exakt förutse värmeledningsförmågan hos nya material."

Dessa överraskande fynd för borarsenid beror på ett ovanligt samspel mellan vissa av dess vibrationsegenskaper som ligger utanför de riktlinjer som vanligtvis används för att uppskatta värmeledningsförmågan hos elektriska isolatorer. Dessa egenskaper gör att spridningar mellan vibrationsvågor är mycket mindre sannolika än vad som är typiskt inom ett visst frekvensområde, vilket i sin tur gör att stora mängder värme kan ledas i detta frekvensområde. "Om dessa spännande resultat verifieras genom experiment, det kommer att öppna nya möjligheter för passiva kylapplikationer med borarsenid, och det skulle visa den viktiga roll som sådant teoretiskt arbete kan spela för att ge vägledning för att identifiera nya material med hög värmeledningsförmåga, "Säger Reinecke.

Värmekonduktivitetsberäkningar från denna grupp överensstämmer väl med tillgängliga experimentella resultat för ett brett spektrum av material. Teamet bestod av Dr. Lucas Lindsay och Tom Reinecke på NRL och Dr David Broido vid Boston College.

Denna forskning, stöds delvis av Office of Naval Research (ONR) och Defense Advanced Research Projects Agency (DAPRA), ger viktig ny inblick i fysiken för termisk transport i material, och det illustrerar kraften hos moderna beräkningstekniker för att göra kvantitativa förutsägelser för material vars egenskaper ännu inte har mätts.