Booriarsenidi ohitti juuri timantin lämmönsiirrossa

Houstonin yliopiston insinöörien johtama kansainvälinen tiedemiesryhmä osoitti juuri pitkään vallinneen lämmönjohtavuusteorian vääräksi. Heidän työnsä on venyttänyt materiaalitieteen rajoja entisestään ja voi inspiroida useita vastaavia läpimurtoja tulevina kuukausina. Sellaisenaan sitä pidetään merkittävänä virstanpylväänä tiedeyhteisössä. Tässä on mitä sinun tulee tietää.

Miksi lämmönjohtavuudella on merkitystä nykyaikaisessa elektroniikassa

Tämän läpimurron tärkeyden ymmärtämiseksi on tärkeää ymmärtää lämpösuojapinnoitteen ratkaiseva rooli nykyteknologiassa. Nämä pinnoitteet, joita yleensä levitetään metallikomponentteihin, auttavat vähentämään tärkeiden komponenttien lämpöaltistusta.

Niiden luoma lämmönjohtavuuseste auttaa tekemään nykypäivän moottoreista kestävämpiä, tietokoneista nopeampia ja on tärkeä osa monia teollisuudenaloja. Siksi näiden pintojen parantamiseksi tehdään jatkuvasti tutkimusta. Vaikka synteettisissä materiaaleissa on tapahtunut monia edistysaskeleita, mikään ei voisi koskaan kilpailla luonnon kanssa.

ruutu

Timantteja on pidetty vuosikymmenten ajan parhaana isotrooppisena materiaalina lämmönjohtavuudessa. Isotrooppiset materiaalit ovat ainutlaatuisia siinä, että ne tarjoavat tasaisen lämmönjakauman kaikkiin kristallografisiin suuntiin. Ne ovat erityisen hyviä lämmönsiirrossa useista keskeisistä syistä, mukaan lukien tiukat kovalenttiset hiili-hiili-sidoksensa.

Timantin rajoitukset lämmönjohtimena

Timanttilämpöpinnoitteiden käyttöön liittyy joitakin ongelmia, jotka antavat tutkijoille edelleen syitä jatkaa muiden materiaalien etsintää. Ensinnäkin ne ovat kalliimpia kuin muut isotrooppiset materiaalit. Lisäksi niiden kanssa voi olla vaikea työskennellä.

Näistä rajoituksista huolimatta timantteja käytetään edelleen silloin, kun nopea lämmönpoisto on kriittisen tärkeää. Yhä useammat insinöörit uskovat kuitenkin nyt, että timantin suorituskyky voidaan ylittää synteettisten materiaalien avulla. Yksi materiaali, johon on kiinnitetty yhä enemmän huomiota, on booriarsenidi.

Booriarsenidi (BA)

Booriarsenidia (BA) keksittiin ensimmäisen kerran vuonna 1959, kun tiedemiehet olivat onnistuneesti syntetisoineet booria ja arseenia. Tämä varhainen kokeilu oli tauolla useita vuosikymmeniä aina 2000-luvulle asti. Silloin tietokonemallinnuksen ja materiaalitieteen edistysaskeleet mahdollistivat yhtäkkiä sen, miten BA:t voisivat toimia potentiaalisina lämmönjohtimina.

Vasta vuonna 2013 Boston Collegen fyysikko David Broido teki karun ennusteen, jossa hän kuvaili skenaarion, jossa banaanit ylittivät timantin lämmönjohtavuuden. Hän osoitti laskelmien avulla, että materiaali kykeni saavuttamaan 2200 W/m·K lämmönjohtavuuden huoneenlämmössä käyttämällä kolmen fononin sirontamenetelmää.

Vuonna 2015 Houstonin yliopiston professori Zhifeng Ren vei konseptia eteenpäin kasvattamalla BA-kiteitä laboratoriossaan ja testaamalla niitä. Hän suoritti useita kokeita, joissa hän saavutti 1500 W/m·K:n yksittäisen kiteen lämmönjohtavuuden huoneenlämmössä.

Tämä luokitus asetti BA:t lämmönjohtavuudessa lähelle toiseksi parasta timanttien jälkeen. Se innoitti myös lisää tutkimukseen materiaalista ja tavoista saavuttaa Broidon vuosia aiemmin ennustama optimaalinen lämmönjohtavuus 2200 W/m·K huoneenlämmössä.

Haasteet korkean puhtauden BA-yhdisteiden saavuttamisessa

Siitä lähtien on tutkittu BA-anatomeja lämmönjohteina. Fononien sirontastrategioiden muutokset ja muut ongelmat johtivat kuitenkin siihen, että insinöörit huomasivat tulostensa laskeneen noin 1 300 W/mK:iin. Onneksi äskettäinen tutkimus on osoittanut, mikä aiheutti nämä rajoitukset ja miten niitä voidaan vähentää.

Booriarseniditutkimus

Booriarsenidin lämmönjohtavuus yli 2100 W metriä kohden kelviniä kohden huoneenlämmössä¹ Tieteellisessä Materials Today -lehdessä julkaistu tutkimus paljastaa, kuinka insinöörit onnistuivat saavuttamaan ennennäkemättömän 2100 W/m·K:n lämmönjohtavuuden booriarsenidin yksittäiskiteissä huoneenlämmössä.

Mikä oli ongelma?

Kuten insinöörit totesivat, laskelmat pitivät paikkansa, mutta kokeet eivät täyttäneet odotuksia. Silloin he päättivät arvioida uudelleen ydinkomponentteja ja -strategiaa nähdäkseen, missä parannuksia voitaisiin tehdä. Yksi keskeinen alue, jossa he havaitsivat johtavuuden heikkenemistä, ovat epäpuhtaudet.

Lähde – Materials Today

Merkillepantavaa on, että isotrooppisissa materiaaleissa lämmönsiirtokyky seuraa materiaalin kristallografisia reittejä. Optimaalisissa olosuhteissa nämä reitit tarjoavat tasaisen kulun. Insinöörit kuitenkin huomasivat, että aiemmissa kokeissa käytetyissä kiteissä oli useita epätäydellisyyksiä, jotka itse asiassa haittasivat suorituskykyä. Siksi he ryhtyivät kasvattamaan mahdollisimman puhtaita banaanihappoja.

Kuinka kasvattaa BA:ita ilman epäpuhtauksia

Tämän tehtävän suorittamiseksi he alkoivat miettiä prosessia uudelleen alusta alkaen. He aloittivat ultrapuhtaalla arseenilla. Sen jälkeen minut syntetisoitiin nelivaiheisesti, mikä vähensi epäpuhtauksia entisestään.

Seuraava vaihe oli kvartsiputken perusteellinen pesu. Merkillepantavaa on, että insinöörit käyttivät tavanomaisia ​​puolijohdepuhdistusprosesseja, joihin kuului useita ultraäänipuhdistuksia useilla eri materiaaleilla, kuten asetonilla, etanolilla ja deionisoidulla vedellä. Sitten putki kuivattiin uunissa, jolloin jäljelle jäänyt kosteus poistettiin.

Sieltä insinöörit käyttivät läpäisyvaloja lämmönjohtavuuden ja epäpuhtauksien tarkistamiseen. He huomasivat heti, että yksittäisten kiteiden pistevirheiden pitoisuus oli huomattavasti pienempi kuin aiemmissa yrityksissä.

Miten tutkijat mittasivat BA:n lämmönjohtavuutta

Tutkija testasi kiteiden lämmönjohtavuutta useilla erittäin tarkoilla menetelmillä. Tiimi käytti ensin aika-alueen lämpöheijastusmenetelmää (TDTR) lämmönjohtavuuden rekisteröimiseen. Tässä testissä insinöörit päällystivät kiteet 100 nm:n alumiinianturikerroksella elektronisuihkuhöyrystystä käyttäen tarkkuuden varmistamiseksi.

Siitä lähtien ryhmä käytti Raman-spektroskopiaa löytääkseen kiteissä mahdollisesti olevat epäpuhtaudet. Sitten he yhdistivät tiedot saadakseen tarkan yleiskuvan materiaalien ominaisuuksista ja puutteista. Löydökset muuttaisivat lämpödynamiikkaa tulevaisuudessa.

Ennätykselliset lämmönjohtavuustulokset

Pyyhkäise vierittääksesi →

Tiimin testi osoitti, että BA:t pystyivät saavuttamaan timanttitason lämmönjohtavuuden. Tarkemmin sanottuna tutkijat mittasivat huoneenlämmössä 2 100 W/mK. Merkittävää on, että Raman-spektrit mahdollistivat insinöörien havaita T−1.8-riippuvuuden, mikä avasi oven jatkotutkimukselle ja suorituskyvyn parantamiselle.

Insinöörit totesivat, että muokattu teoreettinen laskelma mahdollistaisi prosessin virittämisen hyödyntämään kolmen fononin sirontaa 4–8 THz:n fononeille nykyään yleisesti käytetyn neljän fononin sironnan sijaan. Tällä lähestymistavalla tiimi onnistui tallentamaan lämpötilariippuvuuden 300–400 K:n välillä.

Booriarsenidin edut

Tämä työ tuo markkinoille monia etuja. Ensinnäkin se avaa oven tulevaisuuden huipputeknologisten laitteiden saatavuuden ja kohtuuhintaisuuden parantamiselle. Timantit ovat kalliita ja harvinaisia, kun taas banaanit voidaan valmistaa tilauksesta. Lisäksi niitä on helpompi valmistaa ja integroida.

Booriarsenidi puolijohdemateriaalina

Yksi odottamaton löydös oli, että BA:t toimivat ylivoimaisina puolijohteina. Testit paljastivat, että heidän luomansa BA:t suoriutuivat piitä paremmin useissa keskeisissä osa-alueissa. Tarkemmin sanottuna ne tarjoavat paremman johtavuuden, varauksenkuljettajien liikkuvuuden, lämpölaajenemisen ja voivat tukea laajempaa kaistaväliä.

Inspiroi uutta aikakautta lämpömateriaalitieteessä

Tämä työ osoittaa, miksi tiedemiesten on jatkuvasti venytettävä rajoja loistaakseen tuloksissaan. Vuosikymmenten ajan timantit olivat kiistattomia lämmönjohtavuuden kuninkaita. Nyt koko tiedeyhteisön on arvioitava teorioitaan uudelleen, mikä johtaa uusiin edistysaskeliin, joita aiemmin pidettiin mahdottomina.

Booriarsenidin reaalimaailman sovellukset ja aikajana

Tälle työlle on monia sovelluksia. Ensinnäkin tutkimus muuttaa valmistajien ajattelutapaa lämmönhallintaan. Jos tätä materiaalia voidaan syntetisoida johdonmukaisesti halvemmalla ja helpommin saatavilla kuin timanttivaihtoehtoja, se avaa oven seuraavan sukupolven lämmönhallintamateriaaleille ja elektroniikalle. Tässä on muutamia potentiaalisia sovelluksia.

Tehokas elektroniikka

Kuvittele, että kannettava tietokoneesi on sylissäsi koko päivän ilman lämmön haihtumista. Näiden erittäin hyvin johtavien lämpöesteiden integrointi voisi auttaa uuden aikakauden alkuun huipputeknologiassa ja kannettavassa elektroniikassa. Laitteista voisi tulla nopeampia ja tehokkaampia ilman lisäjäähdytysjärjestelmän tukea.

Sähköajoneuvot ja tehoelektroniikka

Sähköautomarkkinoiden suorituskyky voisi parantua merkittävästi, kun bamperamentit integroidaan lämmönjohteiksi. Nämä materiaalit voisivat mahdollistaa valmistajille ajoneuvojensa kevyemmän ja turvallisemman käytön. Siten ne voisivat epäsuorasti saada enemmän kilometrejä yhdellä latauksella. Lisäksi tämä strategia voisi alentaa sähköautojen kustannuksia tulevaisuudessa.

Palvelinkeskukset

Datakeskukset ovat ensimmäisten joukossa, jotka näkevät tämän teknologian hyödyt. Näille massiivisille ekosysteemeille on suuri kysyntä tekoälymarkkinoiden ennätysmäisen kasvun ansiosta. Siten tällä teknologialla on suora vaikutus tekoälysektoriin sen ominaisuuksien, suorituskyvyn ja yleiskustannusten osalta tulevaisuudessa.

Booriarsenidin aikajana

Siviilit saattavat nähdä tämän tyyppisen lämpöpinnoitteen käytettävän elektroniikassaan seuraavien 7–10 vuoden aikana. Sotilas- ja muut erikoisteknologian käyttötapaukset saattavat kuitenkin saada nämä materiaalit käyttöönsä seuraavien viiden vuoden aikana tai nopeammin. Se, että niiden valmistuskustannukset ovat paljon alhaisemmat ja ne ovat helpommin saatavilla, auttaa lyhentämään integrointiaikoja merkittävästi.

Booriarseniditutkijat

Booriarsenidin lämmönjohtavuus yli 2100 W metriä kohden kelviniä kohden huoneenlämmössä tutkimus oli yhteistyöhanke, joka yhdisti useiden arvostettujen instituutioiden, kuten Kalifornian yliopiston, Santa Barbaran, Boston Collegen ja Houstonin yliopiston, tutkimusta.

Paperissa mainitaan erityisesti professori Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido ja Ying Peng työn avustajina.

BA-materiaalien tulevaisuuden tutkimussuunnat

Ottaen huomioon tämän monumentaalisen virstanpylvään saavuttamiseen vaaditut vuosien työt, tiimin odotetaan jatkavan matkaansa BA:n lämmönjohtavuuden parantamiseksi. Tulevaisuudessa he tutkivat myös muiden materiaalien käyttöä, jotka saattaisivat tarjota vertailukelpoisia tai parempia tuloksia.

Grafiitin valmistukseen investoiminen

Lämmönjohtavia pinnoitteita valmistavia yrityksiä on monia. Nämä yritykset ovat ratkaisevan tärkeitä nykypäivän korkean teknologian, liikenteen ja teollisuuden aloille. Tässä on yksi yritys, joka on ollut keskeisessä asemassa markkinoilla uraauurtavien ponnistelujensa ja tuotteidensa ansiosta.

Graphjet-tekniikka

Graphjet-tekniikka(GTI )lanseerattiin vuonna 2019. Tämä malesialainen grafiittivalmistaja toimittaa anodimateriaalia ja muita tärkeitä materiaaleja nykypäivän sähköautomarkkinoille, elektroniikkaan ja viestintäjärjestelmiin.

Yritys on ollut markkinoiden edelläkävijä useista syistä, ja sillä on strategisia kumppanuuksia MIT:n, Manchesterin yliopiston ja monien muiden kanssa, jotka pyrkivät laajentamaan ainutlaatuista kestävän kehityksen mukaista lähestymistapaansa.

Graphjet Technology eroaa kilpailijoistaan ​​monella tapaa. Ensinnäkin yritys panostaa kestävään kehitykseen. Se on maailman ensimmäinen valmistaja, joka on luonut teollisen mittakaavan prosessin, joka muuntaa kierrätettyjen palmunydinkuorien muodossa olevan maatalousjätteen akkukäyttöön soveltuvaksi grafiitiksi.

Yrityksen Malesian laitos toimittaa erittäin puhdasta keinotekoista grafiittia, yksikerroksista grafeenia ja muita tärkeitä materiaaleja. Vaikuttavaa on, että laitos pystyy muuttamaan 9 000 tonnia jätettä 3 000 tonniksi grafiittia vuodessa. Lisäksi se tuottaa vain 2.95 kg hiilidioksidia grafiittikiloa kohden, mikä tekee siitä 83 % puhtaampaa kuin vaihtoehdot.

Kaikki nämä tekijät ohjaavat sijoittajien huomiota Graphjet Technologiesiin. Niiden, jotka etsivät innovatiivista ja kestävää valmistusteollisuuden osaketta, kannattaa tehdä enemmän tutkimusta Graphjetin osakkeista.