L'arséniure de bore vient de surpasser le diamant en matière de transfert de chaleur.

Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par des ingénieurs de l'Université de Houston, vient de réfuter une théorie de la conductivité thermique longtemps admise. Leurs travaux repoussent les frontières de la science des matériaux et pourraient engendrer plusieurs découvertes majeures dans les mois à venir. De ce fait, ils sont considérés comme une étape importante pour la communauté scientifique. Voici ce qu'il faut retenir.

Pourquoi la conductivité thermique est importante en électronique moderne

Pour saisir l'importance de cette avancée, il est essentiel de comprendre le rôle crucial que jouent les revêtements de barrière thermique dans les technologies actuelles. Ces revêtements, généralement appliqués aux composants métalliques, contribuent à réduire l'exposition à la chaleur des composants essentiels.

La barrière de conductivité thermique qu'elles créent contribue à rendre les moteurs modernes plus durables, les ordinateurs plus rapides et joue un rôle important dans de nombreux secteurs industriels. C'est pourquoi la recherche se poursuit sans relâche pour améliorer ces surfaces. Malgré les nombreux progrès réalisés dans le domaine des matériaux synthétiques, aucun ne pourra jamais rivaliser avec la nature.

Des diamants

Depuis des décennies, le diamant est considéré comme le meilleur matériau isotrope pour la conduction thermique. Les matériaux isotropes sont uniques car ils offrent une distribution uniforme de la chaleur dans toutes les directions cristallographiques. Leurs excellentes propriétés de transfert thermique s'expliquent notamment par leurs liaisons covalentes carbone-carbone très fortes.

Limites du diamant en tant que conducteur thermique

L'utilisation de revêtements thermiques en diamant présente certains inconvénients qui incitent les chercheurs à poursuivre leurs recherches sur d'autres matériaux. D'une part, ils sont plus coûteux que d'autres matériaux isotropes. D'autre part, leur mise en œuvre peut s'avérer complexe.

Malgré ces limitations, les diamants restent utilisés lorsque la dissipation thermique rapide est essentielle. Cependant, un nombre croissant d'ingénieurs estiment désormais qu'il est possible de surpasser les performances du diamant grâce à des matériaux de synthèse. L'arséniure de bore est un matériau qui suscite un intérêt grandissant.

Arséniure de bore (BAs)

L'arséniure de bore (AB) a été découvert en 1959 après la synthèse réussie du bore et de l'arsenic par des scientifiques. Ces premières expériences sont restées au point mort pendant plusieurs décennies, jusqu'aux années 2000. C'est alors que les progrès de la modélisation informatique et de la science des matériaux ont soudainement permis d'entrevoir le potentiel de l'AB en tant que conducteur thermique.

Ce n'est qu'en 2013 que David Broido, physicien au Boston College, a formulé une prédiction audacieuse : il a décrit un scénario où les BAs surpasseraient la conductivité thermique du diamant. Il a démontré, par des calculs, que ce matériau pouvait atteindre une conductivité thermique de 2 200 W/m·K à température ambiante grâce à un modèle de diffusion à trois phonons.

En 2015, Zhifeng Ren, professeur à l'université de Houston, a approfondi ce concept en cultivant, avec son équipe, des cristaux de BAs dans leur laboratoire et en les testant. Il a mené plusieurs expériences au cours desquelles il a obtenu une conductivité thermique monocristalline de 1 500 W/m·K à température ambiante.

Ce classement plaçait les BAs en deuxième position, juste derrière les diamants, en termes de conductivité thermique. Il a également encouragé la poursuite des recherches sur ce matériau et sur les moyens d'atteindre la conductivité thermique optimale de 2 200 W/m·K à température ambiante, prédite par Broido des années auparavant.

Défis liés à l'obtention d'acides gras saturés de haute pureté

Des travaux ont été menés sur les BAs en tant que conducteurs thermiques depuis lors. Cependant, des modifications des stratégies de diffusion des phonons et d'autres problèmes ont conduit les ingénieurs à constater une réduction de leurs résultats à environ 1 300 W/mK. Heureusement, une étude récente a permis d'identifier les causes de ces limitations et de proposer des solutions pour les atténuer.

Étude sur l'arséniure de bore

Le Conductivité thermique de l'arséniure de bore supérieure à 2100 W par mètre par kelvin à température ambiante¹ Une étude publiée dans la revue scientifique Materials Today révèle comment les ingénieurs ont pu obtenir une conductivité thermique sans précédent de 2100 W/m·K dans des monocristaux d'arséniure de bore à température ambiante.

Quel était le problème?

Comme l'ont constaté les ingénieurs, les calculs étaient corrects, mais les résultats expérimentaux ne correspondaient pas aux attentes. Ils ont donc décidé de réévaluer les composants essentiels et la stratégie afin d'identifier les axes d'amélioration. Ils ont notamment relevé une perte de conductivité due aux impuretés.

Source – Matériaux Aujourd'hui

Il est à noter que, dans les matériaux isotropes, les capacités de transfert thermique suivent les voies cristallographiques du matériau. Dans des conditions optimales, ces voies permettent une circulation fluide de la chaleur. Cependant, les ingénieurs ont constaté que, lors d'expériences précédentes, les cristaux utilisés présentaient plusieurs imperfections qui nuisaient aux performances. C'est pourquoi ils se sont attelés à la culture de BAs aussi purs que possible.

Comment cultiver des BA sans impuretés

Pour ce faire, ils ont entièrement repensé le processus. Ils sont partis d'arsenic ultra-pur. Ensuite, j'ai subi une synthèse en quatre étapes, ce qui a permis de réduire encore davantage les impuretés.

L'étape suivante consistait à nettoyer soigneusement le tube de quartz. Les ingénieurs ont notamment utilisé des procédés de nettoyage standard pour semi-conducteurs, comprenant plusieurs passages aux ultrasons avec différents produits, dont l'acétone, l'éthanol et l'eau déminéralisée. Le tube a ensuite été séché à l'étuve afin d'éliminer toute trace d'humidité.

À partir de là, les ingénieurs ont utilisé la lumière transmise pour vérifier la conductivité thermique et détecter d'éventuelles impuretés. Ils ont immédiatement constaté une concentration de défauts ponctuels nettement inférieure dans les cristaux individuels par rapport aux essais précédents.

Comment les chercheurs ont mesuré la conductivité thermique des BAs

Les scientifiques ont testé la conductivité thermique des cristaux à l'aide de plusieurs méthodes très précises. L'équipe a d'abord utilisé la méthode de thermoréflectance temporelle (TDTR) pour mesurer cette conductivité. Lors de ce test, les ingénieurs ont déposé une couche de transducteur en aluminium de 100 nm sur les cristaux par évaporation par faisceau d'électrons afin de garantir la précision des mesures.

L'équipe a ensuite utilisé la spectroscopie Raman pour détecter d'éventuelles impuretés résiduelles dans les cristaux. Elle a combiné les données afin d'obtenir une vision précise des propriétés et des limites des matériaux. Ces découvertes allaient modifier la dynamique thermique à l'avenir.

Résultats record en matière de conductivité thermique

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Les tests menés par l'équipe ont démontré que les BA pouvaient atteindre une conductivité thermique comparable à celle du diamant. Plus précisément, les scientifiques ont enregistré une valeur de 2,100 1.8 W/mK à température ambiante. Notamment, les spectres Raman ont permis aux ingénieurs d'observer une dépendance en T⁻¹⁸, ouvrant la voie à de nouvelles recherches et à des améliorations des performances.

Les ingénieurs ont constaté qu'un calcul théorique modifié leur permettrait d'adapter le processus afin d'utiliser une diffusion à trois phonons pour les phonons de la gamme 4–8 THz, au lieu d'une diffusion à quatre phonons couramment utilisée. Grâce à cette approche, l'équipe est parvenue à enregistrer la dépendance en température entre 300 et 400 K.

Avantages de l'arséniure de bore

Ces travaux présentent de nombreux avantages pour le marché. Ils permettent notamment de rendre les appareils de haute technologie de demain beaucoup plus accessibles et abordables. Les diamants sont chers et rares, tandis que les ions BA peuvent être produits à la demande. De plus, leur fabrication et leur intégration sont plus simples.

L'arséniure de bore en tant que matériau semi-conducteur

Une découverte inattendue a été que les BAs se comportent comme des semi-conducteurs supérieurs. Les tests ont révélé que les BAs qu'ils ont créés surpassent le silicium dans plusieurs catégories clés. Plus précisément, ils offrent une meilleure conductivité, une mobilité des porteurs plus élevée, une dilatation thermique moindre et peuvent supporter une bande interdite plus large.

Inspirer une nouvelle ère en science des matériaux thermiques

Ce travail démontre pourquoi les scientifiques doivent sans cesse repousser les limites pour obtenir les meilleurs résultats. Pendant des décennies, le diamant a régné en maître incontesté sur la conductivité thermique. Désormais, l'ensemble de la communauté scientifique doit réévaluer ses théories, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles avancées auparavant jugées impossibles.

Arséniure de bore : applications concrètes et chronologie

Ce travail ouvre de nombreuses perspectives. D'une part, cette étude transformera la façon dont les fabricants conçoivent la gestion thermique. Si ce matériau peut être synthétisé de manière constante, à moindre coût et avec une plus grande disponibilité que les alternatives au diamant, il permettra de développer des matériaux de gestion thermique et des composants électroniques de nouvelle génération. Voici quelques applications potentielles.

Électronique haute puissance

Imaginez votre ordinateur portable sur les genoux toute la journée sans aucune dissipation de chaleur. L'intégration de ces barrières thermiques hautement conductrices pourrait ouvrir la voie à une nouvelle ère pour l'électronique portable et de pointe. Les appareils pourraient ainsi devenir plus rapides et plus performants sans nécessiter de système de refroidissement supplémentaire.

Véhicules électriques (VE) et électronique de puissance

Le marché des véhicules électriques pourrait bénéficier d'améliorations significatives en termes de performances grâce à l'intégration de matériaux absorbants de valence (BA) comme conducteurs thermiques. Ces matériaux permettraient aux constructeurs de concevoir des véhicules plus légers et plus sûrs, et ainsi d'accroître indirectement l'autonomie de la batterie. De plus, cette stratégie pourrait contribuer à réduire les coûts des véhicules électriques à l'avenir.

Centres de données

Les centres de données seront parmi les premiers à bénéficier de cette technologie. Ces vastes écosystèmes sont très demandés, notamment en raison de l'expansion record du marché de l'IA. De ce fait, cette technologie aura un impact direct sur le secteur de l'IA, en termes de capacités, de performances et de coûts.

Chronologie de l'arséniure de bore

D'ici 7 à 10 ans, ce type de revêtement thermique pourrait être utilisé dans les appareils électroniques grand public. Toutefois, les secteurs militaire et d'autres applications de haute technologie spécialisées pourraient y avoir accès d'ici 5 ans, voire moins. Son coût de fabrication bien moindre et sa plus grande disponibilité devraient permettre de réduire considérablement les délais d'intégration.

Chercheurs sur l'arséniure de bore

Le Conductivité thermique de l'arséniure de bore supérieure à 2100 W par mètre par kelvin à température ambiante Cette étude était le fruit d'un travail collaboratif qui a combiné les recherches de plusieurs institutions prestigieuses, dont l'Université de Californie à Santa Barbara, le Boston College et l'Université de Houston.

Plus précisément, l'article cite le professeur Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido et Ying Peng comme contributeurs au travail.

Orientations futures de la recherche sur les matériaux BAs

Compte tenu des années de travail nécessaires pour atteindre cette étape majeure, l'équipe devrait poursuivre ses efforts pour améliorer la conductivité thermique du BA. À l'avenir, elle étudiera également l'utilisation d'autres matériaux susceptibles d'offrir des résultats comparables, voire supérieurs.

Investir dans la fabrication du graphite

De nombreuses entreprises produisent des revêtements thermoconducteurs. Ces sociétés sont essentielles aux secteurs de la haute technologie, des transports et de l'industrie d'aujourd'hui. Voici une entreprise qui a joué un rôle déterminant sur le marché grâce à ses produits et à son esprit pionnier.

Technologie Graphjet

Technologie Graphjet(GTI )Lancée en 2019, cette entreprise malaisienne de fabrication de graphite fournit des matériaux d'anode et d'autres matériaux essentiels au marché actuel des véhicules électriques, à l'électronique et aux systèmes de communication.

L'entreprise a fait figure de pionnière sur le marché pour plusieurs raisons et a noué des partenariats stratégiques avec le MIT, l'Université de Manchester et bien d'autres organisations cherchant à développer son approche durable unique.

Graphjet Technology se distingue de ses concurrents à bien des égards. Tout d'abord, l'entreprise est entièrement axée sur le développement durable. Elle est le premier fabricant au monde à avoir mis au point un procédé industriel permettant de transformer des déchets agricoles, notamment des coques de palmistes recyclées, en graphite de qualité batterie.

L'usine malaisienne de l'entreprise produit du graphite artificiel de haute pureté, du graphène monocouche et d'autres matériaux essentiels. Elle est capable de transformer annuellement 9 000 tonnes de déchets en 3 000 tonnes de graphite, un résultat impressionnant. De plus, elle n'émet que 2.95 kg de CO₂ par kg de graphite, soit 83 % de moins que les autres procédés.

Tous ces facteurs continuent d'attirer l'attention des investisseurs sur Graphjet Technologies. Ceux qui recherchent une action d'une entreprise manufacturière innovante et durable devraient approfondir leurs recherches sur les actions Graphjet.