Een team van theoretische natuurkundigen van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) en Boston College heeft kubisch boorarsenide geïdentificeerd als een materiaal met een buitengewoon hoge thermische geleidbaarheid en het potentieel om warmte effectiever over te dragen van elektronische apparaten dan diamant, de bekendste thermische geleider tot nu toe.

Naarmate micro-elektronische apparaten kleiner worden, sneller en krachtiger, thermisch beheer wordt een kritieke uitdaging. Dit werk geeft nieuw inzicht in de aard van thermisch transport op kwantitatief niveau en voorspelt een nieuw materiaal, met ultrahoge thermische geleidbaarheid, van potentieel belang voor passieve koeltoepassingen.

Berekening van de thermische geleidbaarheid van kubische III-V boorverbindingen met behulp van een voorspellende eerste-principesbenadering, het team heeft ontdekt dat boorarsenide (BA's) een opmerkelijke thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur hebben, groter dan 2, 000 Watt per meter per graad Kelvin (> 2000 Wm ^-1 K ^-1 ). Dit is vergelijkbaar met die in diamant en grafiet, wat de hoogste bulkwaarden zijn die bekend zijn.

In tegenstelling tot metalen, waar de elektronen de warmte dragen, diamant en boorarsenide zijn elektrische isolatoren. Voor het laatste type materialen wordt warmte gedragen door trillingsgolven (fononen) van de samenstellende atomen, en intrinsieke weerstand tegen warmtestroom resulteert uit deze golven die van elkaar verstrooien. Diamant is interessant voor koeltoepassingen, maar het is schaars en de synthetische fabricage lijdt onder trage groeisnelheden, hoge kosten en lage kwaliteit. Echter, Er is tot op heden weinig vooruitgang geboekt bij het identificeren van nieuwe materialen met een hoge warmtegeleiding.

historisch, volledig microscopisch, parametervrije computationele materiaaltechnieken zijn geavanceerder voor elektronische eigenschappen dan voor thermisch transport.

"In de afgelopen jaren met bijdragen van het NRL-team, 'ab initio' kwantitatieve technieken zijn ontwikkeld voor thermisch transport, " zei Dr. Thomas L. Reinecke, natuurkundige, Afdeling Elektronica Wetenschap en Technologie. "Deze technieken maken de weg vrij voor een beter begrip van de belangrijkste fysieke kenmerken van thermisch transport en voor het vermogen om de thermische geleidbaarheid van nieuwe materialen nauwkeurig te voorspellen."

Deze verrassende bevindingen voor boorarsenide zijn het resultaat van een ongebruikelijk samenspel van bepaalde vibratie-eigenschappen die buiten de richtlijnen vallen die gewoonlijk worden gebruikt om de thermische geleidbaarheid van elektrische isolatoren te schatten. Deze kenmerken zorgen ervoor dat verstrooiing tussen trillingsgolven veel minder waarschijnlijk is dan typisch is in een bepaald frequentiebereik, waardoor op zijn beurt grote hoeveelheden warmte in dit frequentiebereik kunnen worden geleid. "Als deze opwindende resultaten door experiment worden geverifieerd, het opent nieuwe mogelijkheden voor passieve koeltoepassingen met boorarsenide, en het zou de belangrijke rol aantonen die dergelijk theoretisch werk kan spelen bij het bieden van richtlijnen voor het identificeren van nieuwe materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, ' zegt Reinecke.

De thermische geleidbaarheidsberekeningen van deze groep komen goed overeen met de beschikbare experimentele resultaten voor een breed scala aan materialen. Het team bestond uit drs. Lucas Lindsay en Tom Reinecke bij NRL en Dr. David Broido bij Boston College.

Dit onderzoek, gedeeltelijk ondersteund door het Office of Naval Research (ONR) en het Defense Advanced Research Projects Agency (DAPRA), geeft belangrijk nieuw inzicht in de fysica van thermisch transport in materialen, en het illustreert de kracht van moderne rekentechnieken bij het maken van kwantitatieve voorspellingen voor materialen waarvan de eigenschappen nog moeten worden gemeten.