Driedimensionale structuren van boornitride zijn misschien het juiste materiaal om kleine elektronica koel te houden, volgens wetenschappers van Rice University.

Rijstonderzoekers Rouzbeh Shahsavari en Navid Sakhavand hebben de eerste theoretische analyse voltooid van hoe 3-D boornitride kan worden gebruikt als een afstembaar materiaal om de warmtestroom in dergelijke apparaten te regelen.

Hun werk verschijnt deze maand in het tijdschrift American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces .

In zijn tweedimensionale vorm, hexagonaal boornitride (h-BN), oftewel wit grafeen, lijkt precies op de atoomdikke vorm van koolstof die bekend staat als grafeen. Een goed bestudeerd verschil is dat h-BN een natuurlijke isolator is, waar perfect grafeen geen barrière vormt voor elektriciteit.

Maar net als grafeen, h-BN is een goede warmtegeleider, die kan worden gekwantificeerd in de vorm van fononen. (Technisch gezien, een fonon is een onderdeel - een "quasideeltje" - in een collectieve excitatie van atomen.) Het gebruik van boornitride om de warmtestroom te regelen leek het waard om nader te bekijken, zei Shahsavari.

"Typisch in alle elektronica, het is zeer gewenst om de warmte zo snel en efficiënt mogelijk uit het systeem te krijgen, " zei hij. "Een van de nadelen in elektronica, vooral als je gelaagde materialen op een ondergrond hebt, is dat warmte heel snel in één richting beweegt, langs een geleidend vlak, maar niet zo goed van laag tot laag. Meerdere gestapelde grafeenlagen zijn daar een goed voorbeeld van."

Warmte beweegt ballistisch over platte vlakken van boornitride, te, maar de Rice-simulaties toonden aan dat 3D-structuren van h-BN-vlakken verbonden door boornitride-nanobuizen in staat zouden zijn om fononen in alle richtingen te verplaatsen, hetzij in het vliegtuig of over vliegtuigen, zei Shahsavari.

De onderzoekers berekenden hoe fononen over vier van dergelijke structuren zouden stromen met nanobuisjes van verschillende lengtes en dichtheden. Ze ontdekten dat de kruispunten van pilaren en vliegtuigen werkten als gele verkeerslichten, niet stoppen, maar aanzienlijk vertragen van de stroom van fononen van laag naar laag, zei Shahsavari. Zowel de lengte als de dichtheid van de pilaren hadden effect op de warmtestroom:meer en/of kortere pilaren vertraagden de geleiding, terwijl langere pilaren minder barrières opleverden en zo de zaken versnelden.

Terwijl onderzoekers al grafeen/koolstof nanobuisverbindingen hebben gemaakt, Shahsavari geloofde dat dergelijke verbindingen voor boornitridematerialen net zo veelbelovend zouden kunnen zijn. "Gezien de isolerende eigenschappen van boornitride, ze kunnen de creatie van 3D mogelijk maken en aanvullen, op grafeen gebaseerde nano-elektronica.

"Dit type 3D-systeem voor thermisch beheer kan mogelijkheden bieden voor thermische schakelaars, of thermische gelijkrichters, waarbij de warmte die in de ene richting stroomt, anders kan zijn dan in de omgekeerde richting, Shahsavari zei. "Dit kan worden gedaan door de vorm van het materiaal te veranderen, of het veranderen van de massa - stel dat de ene kant zwaarder is dan de andere - om een ​​schakelaar te creëren. De hitte zou altijd liever één kant op gaan, maar in de omgekeerde richting zou het langzamer zijn."