Als uw laptop of mobiele telefoon warm begint te worden nadat u urenlang videogames heeft gespeeld of te veel apps tegelijk heeft uitgevoerd, die apparaten doen echt hun werk.

Het is van cruciaal belang om warmte weg te zwaaien van de circuits in de ingewanden van een computer naar de buitenomgeving:oververhitte computerchips kunnen ervoor zorgen dat programma's langzamer werken of vastlopen, het apparaat helemaal uitschakelen of blijvende schade veroorzaken.

Aangezien consumenten kleinere eisen, snellere en krachtigere elektronische apparaten die meer stroom trekken en meer warmte genereren, het vraagstuk van de warmtehuishouding raakt een knelpunt. Met de huidige technologie, er is een limiet aan de hoeveelheid warmte die van binnenuit kan worden afgevoerd.

Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas en hun medewerkers aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en de Universiteit van Houston hebben een mogelijke oplossing gecreëerd, beschreven in een studie die op 5 juli online is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Bing Lv (uitgesproken als "liefde"), assistent-professor natuurkunde aan de School of Natural Sciences and Mathematics aan de UT Dallas, en zijn collega's produceerden kristallen van een halfgeleidend materiaal genaamd boorarsenide met een extreem hoge thermische geleidbaarheid, een eigenschap die het vermogen van een materiaal om warmte te transporteren beschrijft.

"Warmtebeheersing is erg belangrijk voor industrieën die afhankelijk zijn van computerchips en transistors, " zei Lv, een corresponderende auteur van de studie. "Voor krachtige, kleine elektronica, we kunnen geen metaal gebruiken om warmte af te voeren, omdat metaal kortsluiting kan veroorzaken. We kunnen geen koelventilatoren toepassen omdat die ruimte innemen. Wat we nodig hebben, is een goedkope halfgeleider die ook veel warmte afgeeft."

De meeste hedendaagse computerchips zijn gemaakt van het element silicium, een kristallijn halfgeleidend materiaal dat de warmte goed afvoert. Maar silicium, in combinatie met andere in apparaten verwerkte koeltechniek, kan maar zoveel aan.

Diamant heeft de hoogst bekende thermische geleidbaarheid, rond de 2, 200 watt per meter-kelvin, vergeleken met ongeveer 150 watt per meter-kelvin voor silicium. Hoewel diamant af en toe is verwerkt in veeleisende warmteafvoertoepassingen, de kosten van natuurlijke diamanten en structurele defecten in door de mens gemaakte diamantfilms maken het materiaal onpraktisch voor wijdverbreid gebruik in elektronica, zei Lv.

In 2013, onderzoekers van Boston College en het Naval Research Laboratory publiceerden onderzoek dat voorspelde dat boorarsenide mogelijk net zo goed zou presteren als diamant als warmteverspreider. anno 2015, Lv en zijn collega's van de Universiteit van Houston hebben met succes dergelijke boorarsenidekristallen geproduceerd, maar het materiaal had een vrij lage thermische geleidbaarheid, ongeveer 200 watt per meter-kelvin.

Vanaf dat moment, Lv's werk bij UT Dallas was gericht op het optimaliseren van het kristalgroeiproces om de prestaties van het materiaal te verbeteren.

"We hebben de afgelopen drie jaar aan dit onderzoek gewerkt, en heb nu de thermische geleidbaarheid tot ongeveer 1, 000 watt per meter-kelvin, dat op de tweede plaats komt na diamant in bulkmaterialen, ' zei Lv.

Lv werkte samen met postdoctoraal onderzoeksmedewerker Sheng Li, co-hoofdauteur van de studie, en doctoraalstudent natuurkunde Xiaoyuan Liu, ook een studie auteur, om de kristallen met hoge thermische geleidbaarheid te creëren bij UT Dallas met behulp van een techniek die chemisch damptransport wordt genoemd. De grondstoffen - de elementen boor en arseen - worden in een kamer geplaatst die aan de ene kant heet is en aan de andere kant koud. Binnen in de kamer, een andere chemische stof transporteert het boor en arseen van het hete uiteinde naar het koelere uiteinde, waar de elementen combineren om kristallen te vormen.

"Om van onze eerdere resultaten van 200 watt per meter-kelvin naar 1 te springen, 000 watt per meter-kelvin, we moesten veel parameters aanpassen, inclusief de grondstoffen waarmee we zijn begonnen, de temperatuur en druk van de kamer, zelfs het type slang dat we hebben gebruikt en hoe we de apparatuur hebben schoongemaakt, ' zei Lv.

De onderzoeksgroepen van David Cahill en Pinshane Huang aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign speelden een sleutelrol in het huidige werk, het bestuderen van defecten in de boriumarsenidekristallen met behulp van de modernste elektronenmicroscopie en het meten van de thermische geleidbaarheid van de zeer kleine kristallen geproduceerd aan de UT Dallas.

"We meten de thermische geleidbaarheid met behulp van een methode die in de afgelopen twaalf jaar in Illinois is ontwikkeld, genaamd 'time-domain thermoreflectance' of TDTR, " zei Cahill, professor en hoofd van de afdeling Materials Science and Engineering en een corresponderende auteur van de studie. "TDTR stelt ons in staat om de thermische geleidbaarheid van bijna elk materiaal onder een breed scala aan omstandigheden te meten en was essentieel voor het succes van dit werk."

De manier waarop warmte wordt afgevoerd in boorarsenide en andere kristallen is gekoppeld aan de trillingen van het materiaal. Terwijl het kristal trilt, de beweging creëert energiepakketten die fononen worden genoemd, die kan worden gezien als quasideeltjes die warmte dragen. Lv zei dat de unieke kenmerken van boorarsenidekristallen - inclusief het massaverschil tussen de boor- en arseenatomen - bijdragen aan het vermogen van de fononen om efficiënter van de kristallen weg te reizen.

"Ik denk dat boorarsenide een groot potentieel heeft voor de toekomst van elektronica, " zei Lv. "De halfgeleidende eigenschappen zijn zeer vergelijkbaar met silicium, daarom zou het ideaal zijn om boorarsenide op te nemen in halfgeleidende apparaten."

Lv zei dat hoewel het element arseen op zichzelf giftig kan zijn voor mensen, zodra het is opgenomen in een verbinding zoals boorarsenide, het materiaal wordt zeer stabiel en niet-toxisch.

De volgende stap in het werk omvat het uitproberen van andere processen om de groei en eigenschappen van dit materiaal voor grootschalige toepassingen te verbeteren, zei Lv.