Wetenschappers aan de UCLA, Voor de eerste keer, experimenteel een nieuwe samengestelde eenkristal gerealiseerd, boorarsenide (BA's) en onderzocht de thermische geleidbaarheidslimiet wanneer kristallen vrij zijn van defecten. Ze observeerden de hoogste isotrope thermische geleidbaarheid, 1300 W/mK, dan alle gewone metalen en halfgeleiders. Deze studie heeft een nieuwe benchmark voor thermische materialen vastgesteld die mogelijk een revolutie teweeg kan brengen in technologieën voor thermisch beheer in elektronica en fotonica. Dit werk wordt gerapporteerd in het artikel "Experimentele waarneming van hoge thermische geleidbaarheid in boorarsenide, " deze week online gepubliceerd in Wetenschap .

De onderzoekers hebben een thermisch ultrageleidend halfgeleidermateriaal ontwikkeld dat de verwarmingstemperatuur drastisch kan verlagen en de afvalwarmte die wordt gegenereerd door computers en andere elektronische of fotonische apparaten efficiënt kan verwijderen. Het is effectiever in het afvoeren van warmte van hotspots dan welke andere halfgeleider of metaal dan ook en zou mogelijk een revolutie teweeg kunnen brengen in de huidige technologische paradigma's voor thermisch beheer van elektronica. De studie werd geleid door professor Yongjie Hu van werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek, en alle andere auteurs zijn UCLA-afgestudeerde studenten van Hu's onderzoeksgroep (H-Lab):Joonsang Kang, Man Li, Huan Wu, en Huuduy Nguyen.

Computers worden warm omdat de elektronen die door de processors en circuits gaan, warmte genereren terwijl ze erdoorheen bewegen, bijvoorbeeld, hun interactie met roosters. Warmte verslechtert de computerprestaties, dus voorkomen dat computerprocessors te heet worden, is de reden waarom smartphones een koellichaam hebben, of waarom desktops ventilatoren hebben om warme lucht uit te blazen. Grote datacenters met duizenden computers hebben veel extra energie nodig voor hun hightech koelsystemen.

Omdat computerprocessors zijn blijven krimpen tot afmetingen waar miljarden transistors op één chip staan, warmte is een steeds grotere factor geworden in hun prestaties. Als die CPU's in de eerste plaats niet zo heet werden, dan zou er veel minder energie nodig zijn om ze koel te houden. Het beheren van die warmte is een van de grootste obstakels voor nieuwe apparaten zoals computerprocessors of LED's.

Met dat doel voor ogen, het UCLA-team ging op zoek naar een halfgeleidermateriaal dat veel beter is in het beheren van warmte dan momenteel het best presterende materiaal.

Dit UCLA-team rapporteerde voor de eerste keer, de experimentele realisatie van boriumarsenide vrij van defecten met de hoogste thermische geleidbaarheid (1300 W/mK) van alle gangbare halfgeleidermaterialen en metalen. Warmte die zich concentreert op hete plekken in computerchips wordt snel afgevoerd en weggespoeld vanwege zijn unieke structurele en thermische eigenschappen. Het nieuwe materiaal is drie keer beter geleidend dan siliciumcarbide en koper, de huidige beste materialen die worden gebruikt in de warmtebeheerindustrie.

"Dit is een zeer uitdagend werk dat een zeer multidisciplinaire expertise vereist van nauwkeurige materiaalsynthese, uitgebreide structurele karakteriseringen, tot nauwkeurige thermische transportmetingen en theoretische berekeningen, " zegt Yongjie Hu, een assistent-professor bij de afdeling Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de UCLA. "Mijn groep is de afgelopen jaren toegewijd aan deze inspanning sinds ik lid werd van de faculteit van UCLA en we zijn erg blij dat ons harde werk zijn vruchten heeft afgeworpen. Het resultaat heeft geleid tot een benchmarkplatform voor thermisch materiaal voor veel kansen in zowel fundamentele wetenschap als toepassingen ."

Deze studie onthult ook belangrijke fysica van thermische transportmechanismen. Thermische eigenschappen in vaste stoffen kunnen worden beschreven door de interacties van fononen, dat wil zeggen de kwantummechanische modi van roostertrillingen. Gedurende vele decennia, theoretici zijn van mening dat het drie-fononproces het thermisch transport regelt, en de effecten van vier-phonon en hogere-orde processen werden als verwaarloosbaar beschouwd, wat eigenlijk het geval is voor de meest voorkomende materialen. Deze studie heeft een aanzienlijke impact op het theorieveld door aan te tonen dat anharmoniciteit van hoge orde via het vier-fononproces een belangrijke bijdrage levert aan defectvrije BA's eenkristallen. De conclusie is ondersteund door hun experimentele meting, vergeleken met ab initio berekeningen van onafhankelijke onderzoeksgroepen en Hu's groep. Verder, de studie onderzocht de ballistische thermische transportfysica en verklaarde de oorsprong van ultrahoge thermische geleidbaarheid van BA's vanwege de lange fonon-gemiddelde vrije paden.

"Deze prestatie en viering zou naar het hele veld moeten gaan, Hu zei. "Er zijn veel andere toonaangevende onderzoeksgroepen die vooruitgang boeken in de richting van dit doel. Vooral, dit succes illustreert de kracht van het combineren van experimenten en ab initio theorie bij het ontdekken van nieuwe materialen, en ik geloof dat deze benadering de wetenschappelijke grenzen zal blijven verleggen bij het ontdekken van nieuwe materialen voor veel gebieden, waaronder energie, elektronica, en fotonica-toepassingen."