Арсенид бора преодолел барьер теплопроводности, принадлежащий алмазу

Исследователи обнаружили, что теплопроводность высококачественных кристаллов арсенида бора может превышать 2100 Вт/мК при комнатной температуре. Этот показатель выше, чем у алмаза, который считается лучшим проводником тепла среди изотропных материалов.

Это открытие позволяет предположить, что арсенид бора может изменить правила игры в сфере электроники и терморегулирования. Он не только превосходит алмаз по теплопроводности, но и превосходит кремний — текущий отраслевой стандарт — в качестве полупроводника.

К ключевым преимуществам арсенида бора относятся:

• Его проще и дешевле производить, чем алмазы, поскольку для этого не нужны экстремальные температуры и давление.
• Это не только исключительный теплопроводник, но и эффективный полупроводник.
• Благодаря таким свойствам, как высокая теплопроводность, более широкая запрещённая зона, гораздо более высокая подвижность как электронов, так и дырок, а также хорошо подобранный коэффициент теплового расширения, он может превосходить кремний по своим полупроводниковым характеристикам.

«Этот новый материал просто великолепен, — сказал Чжифэн Жэнь, профессор кафедры физики в Колледже естественных наук и математики Хьюстонского университета и директор Техасского центра сверхпроводимости. — Он обладает лучшими свойствами хорошего полупроводника и хорошего теплопроводника — все эти замечательные свойства в одном материале. Такого не было ни в одном другом полупроводниковом материале».

Но, по словам Рена, к 2017 году обновлённые модели, в которых учитывалось четырёхфононное рассеяние — более сложный процесс, чем в ранее использовавшихся трёхфононных моделях, — ограничили теплопроводность до 1360 Вт/мК, из-за чего большинство исследователей отказались от возможности повышения теплопроводности в будущих экспериментах.

Однако Рен и его коллеги-исследователи полагали, что использование исходных материалов более высокой чистоты улучшит теплопроводность, поскольку в образцах, теплопроводность которых составляла около 1300 Вт/мК, было много дефектов. Прогнозы были основаны на идеальных кристаллах арсенида галлия, и учёным удалось экспериментально достичь прогнозируемого уровня теплопроводности, используя образцы со значительными дефектами.

Очистив необработанный мышьяк и усовершенствовав методы синтеза, команда учёных получила более чистые кристаллы, теплопроводность которых превысила 2100 Вт/мК, а вместе с ней и рекордную теплопроводность, которая превзошла теоретические ожидания.