Een internationaal team van natuurkundigen, materiaal wetenschappers, en mechanische ingenieurs hebben de hoge thermische geleidbaarheid bevestigd die voorspeld is in isotopisch verrijkt kubisch boornitride, de onderzoekers rapporteren in de geavanceerde elektronische editie van het tijdschrift Wetenschap .

De thermische geleidbaarheid van een materiaal geeft aan hoeveel warmte er doorheen kan gaan wanneer de uiteinden verschillende temperaturen hebben. Materialen met een zeer hoge thermische geleidbaarheid hebben belangrijke technologische toepassingen, zoals het koelen van micro-elektronica. Maar er zijn er maar weinig ontdekt.

Theoretici hadden voorspeld dat isotopisch zuiver kubisch boornitride (c-BN), moet een extreem hoge thermische geleidbaarheid hebben - de tweede alleen voor kristallen gemaakt van koolstof, zoals diamant.

"We wilden bepalen of c-BN van hoge kwaliteit daadwerkelijk kan worden gemaakt om de grote thermische geleidbaarheidsgrootheden in c-BN waar te nemen, en of de enorme toename in thermische geleidbaarheid met isotopenzuivering voorspeld op basis van theoretische berekeningen wordt gemeten in het echte materiaal, " zei David Broido, hoogleraar natuurkunde aan het Boston College, een co-auteur van het rapport.

c-BN is bijzonder uitdagend om te maken. Ook, het is moeilijk om de thermische geleidbaarheid nauwkeurig te meten als de waarde hoog is. Het team overwon deze uitdagingen, en de gemeten thermische geleidbaarheidswaarden voor de c-BN-monsters lagen vrij dicht bij de berekende waarden.

"De studie bevestigt c-BN als een van de weinige materialen met ultrahoge thermische geleidbaarheid, en laat zien dat het de grootste toename van zijn thermische geleidbaarheid heeft bij isotopenverrijking ooit waargenomen, ' zei Broido.

Het team bestudeerde ook de verwante verbindingen, boorfosfide (BP) en boorarsenide (BA's). De meeste elementen in de natuur hebben mengsels van isotopen, legde Broido uit. Bijvoorbeeld, natuurlijk voorkomend boor heeft twee isotopen, ongeveer 20 procent boor-10 en 80 procent boor-11. Deze verschillende isotopen in het materiaal veroorzaken wanorde die bijdraagt ​​aan de thermische weerstand. Door het materiaal te maken met slechts één isotoop (alleen B-10 of alleen B-11) door isotopenverrijking, deze weerstand wordt verminderd waardoor de thermische geleidbaarheid toeneemt, hij zei.

Door een opmerkelijk toeval van de natuur, de elementen stikstof, fosfor en arseen, die zich van nature binden met boor om c-BN te maken, BP en BA's, slechts één isotoop hebben. Dus, voor deze verbindingen is de isotopenstoornis alleen op de booratomen aanwezig en is dus hetzelfde in alle drie verbindingen gemaakt met natuurlijk voorkomend boor, zei Broido. Nog, isotopische verrijking van de booratomen gaf een verdubbeling van de thermische geleidbaarheid voor c-BN, maar veel kleinere verhogingen voor BP en BA's.

De boor- en stikstofatomen hebben ongeveer dezelfde massa, terwijl arseen en fosfor zwaarder zijn.

"We hebben aangetoond dat de grotere arseen- en fosformassa's in vergelijking met boor ervoor zorgen dat de isotopische stoornis in BA's en BP slechts een kleine weerstand tegen warmtestroom geeft, " zei Broido, die theoretische berekeningen uitvoerde met postdoctoraal fellow Navaneetha K. Ravichandran van Boston College. "Het is alsof de isotopenstoornis onzichtbaar wordt voor de warmte die door de BA's en BP-monsters stroomt."

In tegenstelling tot, het verwijderen van dezelfde hoeveelheid wanorde door isotopenverrijking in c-BN resulteert in een enorme toename van de thermische geleidbaarheid.

In alles, Aan het project hebben 24 onderzoekers bijgedragen. Naast Boston College, het team omvatte de onderzoeksgroepen van Gang Chen aan het MIT, David Cahill aan de Universiteit van Illinois, Urbana-Champagne, Li Shi aan de Universiteit van Texas in Austin, Bing Lv aan de Universiteit van Texas in Dallas, Zhifeng Ren aan de Universiteit van Houston, en Takashi Taniguchi van het Japanse National Institute for Materials Science.

"Het was verbazingwekkend om te zien dat de gemeten gegevens en theoretische berekeningen consistent zo nauw met elkaar overeenkwamen. De theorie bevat geen parameters die kunnen worden aangepast aan de metingen. Het komt overeen met de metingen of niet, " zei Broido. "De uitstekende overeenkomst benadrukt de nauwkeurigheid van de theorie, de nauwkeurigheid van de metingen, en de hoge zuiverheid van de monsters."

Broido zei dat verder onderzoek nodig is om beter inzicht te krijgen in de soorten defecten die optreden in c-BN die de warmtegeleiding verminderen. Omdat dergelijke materialen met ultrahoge thermische geleidbaarheid zo zeldzaam zijn, hij hoopt dat theoretische en computationele zoekopdrachten nieuwe kandidaten kunnen identificeren en de mysteries rond hun gebruikelijke eigenschappen kunnen ontrafelen.