Wetenschappers weten al lang dat diamant het beste materiaal is voor het geleiden van warmte, maar het heeft nadelen:het is duur en is een elektrische isolator; wanneer gekoppeld met een halfgeleiderapparaat, diamant zet uit met een andere snelheid dan het apparaat wanneer het wordt verwarmd.

Nu heeft een groep onderzoekers uit de hele Verenigde Staten gemeld dat een kristal dat is gegroeid uit twee relatief veel voorkomende minerale elementen - boor en arseen - een veel hogere thermische geleidbaarheid vertoont dan alle andere halfgeleiders en metalen die momenteel in gebruik zijn, inclusief silicium, silicium carbide, koper en zilver.

De ontdekking heeft het potentieel om een ​​reeks technologische uitdagingen aan te gaan, inclusief het koelen van elektronische apparaten en nanoapparaten, zei natuurkundige Zhifeng Ren, een onderzoeker bij het Texas Center for Superconductivity aan de Universiteit van Houston en een van de corresponderende auteurs op de krant die de ontdekking aankondigde, gepubliceerd op donderdag, 5 juli in het journaal Wetenschap .

Thermische geleidbaarheid wordt gemeten in de eenheid Wm-1K-1, gebruikt om de hoeveelheid warmte aan te duiden die door een materiaal van één meter lang kan gaan wanneer het temperatuurverschil van de ene kant naar de andere 1 graad Kelvin is. Het boor-arsenidekristal heeft een geleidbaarheid van meer dan 1, 000 bij kamertemperatuur, meldden de onderzoekers.

Koper, ter vergelijking, heeft een geleidbaarheid van ongeveer 400; diamant heeft een gerapporteerde thermische geleidbaarheid van 2, 000.

Eerder gerapporteerde pogingen om boor-arsenide te synthetiseren hebben kristallen opgeleverd van minder dan 500 micrometer - te klein voor bruikbare toepassing.

Maar de onderzoekers hebben nu gemeld dat kristallen groter dan 4 millimeter bij 2 millimeter bij 1 millimeter groeien. Een groter kristal kan worden geproduceerd door de groeitijd te verlengen tot na de 14 dagen die voor het experiment zijn gebruikt, ze zeiden.

Werken met Tom Reinecke bij het Naval Research Lab en Lucas Lindsay bij Oak Ridge National Laboratory, David Broido, een theoretisch natuurkundige aan het Boston College en een van de auteurs van het artikel, stelde eerst voor dat de combinatie een kristal met hoge thermische geleidbaarheid zou kunnen opleveren, het tarten van de conventionele theorie dat ultrahoge roosterwarmtegeleiding alleen kan voorkomen in kristallen die zijn samengesteld uit sterk gebonden lichtelementen, beperkt door anharmonische drie-phonon processen.

Dit werk bevestigt de theorie, al duurde het even. Verschillende onderzoekers die betrokken zijn bij de huidige publicatie, samen met Bing Lv, toen een onderzoeker aan de UH en nu een faculteitslid aan de Universiteit van Texas-Dallas, meldde het synthetiseren van een klein kristal met een geleidbaarheid van ongeveer 200 in 2015.

Daaropvolgend werk in Ren's lab resulteerde in de grotere, meer sterk geleidend kristal gerapporteerd in Wetenschap .

Broido noemde de bevestiging een "voorbeeld van de samenwerking tussen theorie, synthese en meting van materialen. Dat dit is gelukt en de theorie is bevestigd, is een bewijs van het doorzettingsvermogen en de vaardigheid van de synthese- en meetteams."

Paul Ching-Wu Chu, T.L.L. Temple Chair of Science aan de UH en stichtend directeur van het Texas Center for Superconductivity, zei dat het combineren van boor met arseen een complexe uitdaging was.

"De mismatch tussen de fysieke eigenschappen van boor en arseen maakt de synthese van boorarsenide extreem moeilijk en boor-arsenide-eenkristallen bijna onmogelijk, " hij zei.

De onderzoekers creëerden het kristal met behulp van chemisch damptransport, gecompliceerd door het feit dat boor een smeltpunt van 2 heeft, 076 graden Celsius, terwijl arseen direct van een vaste stof in een gas verandert.

Co-auteur Shuo Chen, universitair docent natuurkunde aan de UH, zei dat het kristal nuttig zou kunnen zijn bij het koelen van elektronische apparaten.

"Warmteafvoer is cruciaal voor elektronica met een hoge vermogensdichtheid, "zei ze. "Daarom, materialen met een hoge thermische geleidbaarheid zijn nodig om te dienen als substraten in elektronica met een hoge vermogensdichtheid."

Het potentieel voor een halfgeleider met een hoge thermische geleidbaarheid is enorm, zei Chen.

"Met behulp van femto-seconde laserpulsen, we konden de thermische geleidbaarheid van de boor-arsenidekristallen meten, " voegde Bai Song toe, een postdoctoraal medewerker begeleid door professor Gang Chen in de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT. "Zo'n hoge thermische geleidbaarheid maakt boorarsenide aantrekkelijk voor micro-elektronische toepassingen, zowel als materiaal voor apparaten als als materiaal voor koellichamen."

Het project werd gefinancierd door het Multidisciplinair Universitair Onderzoeksinitiatief van de Amerikaanse marine, geleid door Li Shi, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Texas in Austin.

Shi merkte op dat teamleden van UT-Austin en MIT vier verschillende methoden bedachten om boorarsenide te valideren als de eerste bekende halfgeleider met een thermische geleidbaarheid zo hoog als 1000 Wm-1 K-1 bij kamertemperatuur.

De volgende stap, hij zei, zal zijn "het onderzoeken van apparaattechnologieën met de boorarsenide-bulkkristallen."