Een onwaarschijnlijk materiaal, kubisch boorarsenide, zou een buitengewoon hoge thermische geleidbaarheid kunnen leveren - vergelijkbaar met de industriestandaard die is vastgesteld door dure diamant - rapporteren onderzoekers in het huidige nummer van het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

De ontdekking dat de chemische verbinding van boor en arseen kan wedijveren met diamant, de bekendste thermische geleider, verraste het team van theoretische natuurkundigen van Boston College en het Naval Research Laboratory. Maar dankzij een nieuwe theoretische benadering kon het team het geheim ontrafelen van het potentieel buitengewone vermogen van boorarsenide om warmte te geleiden.

Kleiner, snellere en krachtigere micro-elektronische apparaten vormen de enorme uitdaging om de warmte die ze genereren te verwijderen. Goede thermische geleiders die in contact komen met dergelijke apparaten leiden warmte snel weg van ongewenste "hotspots" die de efficiëntie van deze apparaten verminderen en ervoor kunnen zorgen dat ze defect raken.

Diamant is de meest gewaardeerde van alle edelstenen. Maar, voorbij zijn schittering en schoonheid in sieraden, het heeft vele andere opmerkelijke eigenschappen. Samen met zijn koolstofneven grafiet en grafeen, diamant is de beste warmtegeleider rond kamertemperatuur, met een thermische geleidbaarheid van meer dan 2, 000 watt per meter per Kelvin, wat vijf keer hoger is dan de beste metalen zoals koper. Momenteel, diamant wordt veel gebruikt om de warmte van computerchips en andere elektronische apparaten te verwijderen. Helaas, diamant is zeldzaam en duur, en synthetische diamant van hoge kwaliteit is moeilijk en kostbaar om te produceren. Dit heeft geleid tot een zoektocht naar nieuwe materialen met ultrahoge thermische geleidbaarheid, maar de laatste jaren is er weinig vooruitgang geboekt.

De hoge thermische geleidbaarheid van diamant is goed begrepen, als gevolg van de lichtheid van de samenstellende koolstofatomen en de stijve chemische bindingen daartussen, volgens co-auteur David Broido, een professor in de natuurkunde aan het Boston College. Anderzijds, Van boorarsenide werd niet verwacht dat het een bijzonder goede thermische geleider zou zijn en er werd zelfs geschat - met behulp van conventionele evaluatiecriteria - dat het een thermische geleidbaarheid had die 10 keer kleiner was dan die van diamant.

Het team ontdekte dat de berekende thermische geleidbaarheid van kubisch boorarsenide opmerkelijk hoog is, meer dan 2000 Watt per meter per Kelvin bij kamertemperatuur en hoger dan die van diamant bij hogere temperaturen, volgens Broido en co-auteurs Tom Reinecke, senior wetenschapper bij het Naval Research Laboratory, en Lucas Lindsay, een postdoctoraal onderzoeker bij het NRL die promoveerde bij BC.

Broido zei dat het team een ​​recent ontwikkelde theoretische benadering gebruikte voor het berekenen van thermische geleidbaarheid, die ze eerder hadden getest met veel andere goed bestudeerde materialen. Vertrouwen in hun theoretische benadering, het team nam boorarsenide onder de loep, waarvan de thermische geleidbaarheid nooit is gemeten.

In tegenstelling tot metalen, waar elektronen warmte dragen, diamant en boorarsenide zijn elektrische isolatoren. Voor hen, warmte wordt gedragen door trillingsgolven van de samenstellende atomen, en de botsing van deze golven met elkaar creëert een intrinsieke weerstand tegen warmtestroom. Het team was verrast om een ​​ongebruikelijk samenspel te vinden van bepaalde vibratie-eigenschappen in boorarsenide die buiten de richtlijnen vallen die gewoonlijk worden gebruikt om de thermische geleidbaarheid van elektrische isolatoren te schatten. Het blijkt dat de verwachte botsingen tussen trillingsgolven veel minder waarschijnlijk zijn in een bepaald frequentiebereik. Dus, op deze frequenties, grote hoeveelheden warmte kunnen worden geleid in boorarsenide.

"Dit werk geeft belangrijk nieuw inzicht in de fysica van warmtetransport in materialen, en het illustreert de kracht van moderne rekentechnieken bij het maken van kwantitatieve voorspellingen voor materialen waarvan de thermische geleidbaarheid nog moet worden gemeten, " zei Broido. "We zijn opgewonden om te zien of onze onverwachte bevinding voor boorarsenide kan worden geverifieerd door meting. Als, het kan nieuwe mogelijkheden bieden voor passieve koeltoepassingen met boorarsenide, en het zou verder de belangrijke rol aantonen die dergelijk theoretisch werk kan spelen bij het bieden van nuttige richtlijnen voor het identificeren van nieuwe materialen met een hoge thermische geleidbaarheid."