בורון ארסניד עקף את היהלום בהעברת חום

צוות מדענים בינלאומי בראשות מהנדסים מאוניברסיטת יוסטון הוכיח לאחרונה כי תיאוריית מוליכות תרמית ארוכת שנים אינה נכונה. עבודתם דחק את גבולות מדעי החומרים עוד יותר ועשויה לעורר מספר פריצות דרך בחודשים הקרובים. ככזה, הוא נתפס כאבן דרך משמעותית בקהילה המדעית. הנה מה שאתם צריכים לדעת.

מדוע מוליכות תרמית חשובה באלקטרוניקה מודרנית

כדי להבין את חשיבותה של פריצת דרך זו, חיוני להבין את התפקיד המכריע שממלא ציפוי מחסום תרמי בטכנולוגיה של ימינו. ציפויים אלה, המיושמים בדרך כלל על רכיבים מתכתיים, מסייעים בהפחתת החשיפה לחום של רכיבים חיוניים.

מחסום המוליכות התרמית שהם יוצרים מסייע להפוך את המנועים של ימינו לעמידים יותר, את המחשבים למהירים יותר, והוא חלק חשוב במגזרים תעשייתיים רבים. ככזה, יש מחקר מתמיד שנערך על שיפור משטחים אלה. אמנם היו התקדמויות רבות בחומרים סינתטיים, אך אף אחד מהם לא יוכל להתחרות בטבע.

יהלומים

במשך עשרות שנים, יהלומים נחשבו לחומר האיזוטרופי הטוב ביותר להולכת חום. חומרים איזוטרופיים ייחודיים בכך שהם מציעים פיזור חום אחיד בכל הכיוונים הקריסטלוגרפיים. באופן בולט, הם מצטיינים בהעברת חום מכמה סיבות עיקריות, כולל קשרי פחמן-פחמן קוולנטיים הדוקים שלהם.

מגבלות היהלום כמוליך תרמי

חלק מהבעיות עולות יחד עם השימוש בציפויים תרמיים מיהלום, אשר ממשיכות לתת לחוקרים סיבה להמשיך בחיפוש אחר חומרים אחרים. ראשית, הם יקרים יותר מחומרים איזוטרופיים אחרים. בנוסף, הם יכולים להיות קשים לעבודה.

למרות מגבלות אלו, יהלומים עדיין משמשים כאשר פיזור חום מהיר הוא קריטי למשימה. עם זאת, מספר גדל והולך של מהנדסים מאמינים כיום שניתן לעלות על ביצועי היהלום באמצעות חומרים סינתטיים. חומר אחד שזוכה לתשומת לב גוברת הוא בורון ארסניד.

בורון ארסניד (BAs)

בורון ארסן (BAs) הופיע לראשונה בשנת 1959 לאחר שמדענים סינתזו בהצלחה בורון וארסן. ניסויים מוקדמים אלה היו רדומים במשך עשורים רבים עד שנות ה-2000. אז, ההתקדמות במידול מחשבים ובמדעי החומרים אפשרה לפתע לראות כיצד BAs יכולים לשמש כמוליכי חום פוטנציאליים.

רק בשנת 2013, דיוויד ברוידו, פיזיקאי מבוסטון קולג', ערך תחזית חדה שבה תיאר תרחיש שבו יהלום עתיד לעלות על מוליכות תרמית של יהלום. הוא השתמש בחישובים כדי להראות שהחומר מסוגל להשיג מוליכות תרמית של 2200 W/m·K בטמפרטורת החדר באמצעות גישת פיזור תלת-פונוני.

בשנת 2015, פרופסור ז'יפנג רן מאוניברסיטת יוסטון הרחיב את הרעיון כאשר הוא וצוותו גידלו גבישי BA במעבדה שלהם ובדקו אותם. הוא ערך מספר ניסויים בהם השיג מוליכות תרמית של גביש בודד של 1500 W/m·K בטמפרטורת החדר.

דירוג זה הציב יהלומי BA במקום השני קרוב אחרי יהלומים מבחינת מוליכות תרמית. הוא גם נתן השראה למחקר נוסף על החומר ועל דרכים להשיג מוליכות תרמית אופטימלית של 2200 W/m·K בטמפרטורת החדר, שחזה ברוידו שנים קודם לכן.

אתגרים בהשגת בדיקות BA בעלות טוהר גבוה

מאז נערכה עבודה על מוליכות חום מסוג BA. עם זאת, שינויים באסטרטגיות פיזור פונונים ובעיות אחרות הובילו את המהנדסים לראות את תוצאותיהם מופחתות לכ-1,300 W/mK. למרבה המזל, מחקר שנערך לאחרונה הראה מה גרם למגבלות אלו וכיצד ניתן להפחית אותן.

מחקר בורון ארסניד

השמיים מוליכות תרמית של בורון ארסניד מעל 2100 וואט למטר לקלווין בטמפרטורת החדרמחקר שפורסם בכתב העת המדעי Materials Today, חושף כיצד מהנדסים הצליחו להשיג מוליכות תרמית חסרת תקדים של 2100 W/m·K בגבישים יחידים של בורון ארסניד בטמפרטורת החדר.

מה הייתה הבעיה?

כפי שציינו המהנדסים, החישובים היו תקינים, אך הניסויים לא עמדו בציפיות. אז הם החליטו להעריך מחדש את הרכיבים המרכזיים והאסטרטגיה כדי לראות היכן ניתן לשפר. תחום מרכזי אחד שבו הם ציינו אובדן מוליכות הוא זיהומים.

מקור – חומרים היום

ראוי לציין, שבחומרים איזוטרופיים, יכולות העברת החום עוקבות אחר המסלולים הקריסטלוגרפיים של החומר. בסביבה אופטימלית, מסלולים אלה מספקים תנועה חלקה. עם זאת, מהנדסים ציינו כי בניסויים קודמים, לגבישים בהם נעשה שימוש היו מספר פגמים שפגעו בפועל בביצועים. ככאלה, הם פנו לגדל את חומצות האנזים הטהורות ביותר האפשריות.

איך לגדל חומצות אמינו ללא זיהומים

כדי להשלים משימה זו, הם התחילו לדמיין מחדש את התהליך מהיסוד. הם התחילו עם ארסן אולטרה-טהור. משם, עברתי סינתזה בת ארבעה שלבים, שהפחיתה עוד יותר את הזיהומים.

השלב הבא היה לשפשף לחלוטין שפופרת קוורץ. ראוי לציין כי המהנדסים השתמשו בתהליכי ניקוי סטנדרטיים של מוליכים למחצה שכללו ניקויים מרובים באמצעות אולטרסאונד תוך שימוש בחומרים שונים, כולל אצטון, אתנול ומים מזוקקים. לאחר מכן, היא יובשה בתנור, תוך הסרת כל לחות שנותרה.

משם, השתמשו המהנדסים באורות העברת מידע כדי לבדוק מוליכות תרמית ולזהות זיהומים. הם שמו לב מיד כי היה להם ריכוז פגמי נקודתיים נמוך משמעותית בגבישים הבודדים בהשוואה לניסיונות קודמים.

כיצד מדדו חוקרים מוליכות תרמית של BA

המדען בדק את המוליכות התרמית של הגבישים באמצעות מספר שיטות מדויקות מאוד. הצוות השתמש תחילה בשיטת החזרת חום בתחום הזמן (TDTR) כדי לרשום מוליכות תרמית. בבדיקה זו, המהנדסים ציפו את הגבישים בשכבת מתמר אלומיניום בעובי 100 ננומטר באמצעות אידוי אלומת אלקטרונים כדי להבטיח דיוק.

משם, הקבוצה השתמשה בספקטרוסקופיית ראמאן כדי לגלות כל זיהום שנותר בגבישים. לאחר מכן הם שילבו את הנתונים כדי לקבל סקירה מדויקת של יכולותיהם וחסרונותיהם של החומרים. מה שמצאו ישנה את הדינמיקה התרמית בהמשך.

תוצאות מוליכות תרמית שוברות שיאים

החלק כדי לגלול →

הבדיקה של הצוות הוכיחה כי מוליכות תרמית של יהלום (BA) מסוגלת להשיג מוליכות תרמית ברמת יהלום. באופן ספציפי, המדענים תיעדו 2,100 W/mK בטמפרטורת החדר. ראוי לציין כי ספקטרום ראמאן אפשר למהנדסים לצפות בתלות של T−1.8, מה שפתח את הדלת למחקר נוסף ושיפורי ביצועים.

המהנדסים ציינו כי חישוב תיאורטי שונה יאפשר להם לכוונן את התהליך לשימוש בפיזור שלושה פונונים עבור פונונים בטווח של 4-8 טרה-הרץ, במקום פיזור ארבעה פונונים הנפוץ כיום. באמצעות גישה זו, הצליח הצוות לתעד תלות בטמפרטורה מ-300 עד 400 קלווין.

יתרונות בורון ארסניד

עבודה זו מביאה יתרונות רבים לשוק. ראשית, היא פותחת את הדלת למכשירי הטכנולוגיה העילית של המחר להיות נגישים ובמחיר סביר הרבה יותר. יהלומים יקרים ונדירים, בעוד שניתן לייצר יהלומים מסוג BA לפי דרישה. בנוסף, הם קלים יותר לייצור ולשילוב.

בורון ארסניד כחומר מוליך למחצה

תגלית בלתי צפויה אחת הייתה ש-BAs פועלים כמוליכים למחצה עדיפים. הבדיקות גילו כי ה-BAs שיצרו עלו על הסיליקון במספר קטגוריות מפתח. באופן ספציפי, הם מציעים מוליכות טובה יותר, ניידות נושאי מטען, התפשטות תרמית ויכולים לתמוך בפער אנרגיה רחב יותר.

לעורר עידן חדש במדע חומרים תרמיים

עבודה זו מדגימה מדוע מדענים צריכים להמשיך ולדחוף את הגבולות כדי להצטיין בתוצאותיהם. במשך עשרות שנים, יהלומים היו המלכים הבלתי מעורערים של מוליכות תרמית. כעת, על הקהילה המדעית כולה להעריך מחדש את התיאוריות שלה, מה שמוביל לפתח מרחב להתקדמות חדשה שנחשבו בעבר בלתי אפשרית.

יישומים וציר זמן של בורון ארסניד בעולם האמיתי

ישנם יישומים רבים לעבודה זו. ראשית, המחקר ישנה את האופן שבו יצרנים חושבים על ניהול חום. אם ניתן יהיה לסנתז חומר זה באופן עקבי בעלות נמוכה יותר וזמינות גבוהה יותר בהשוואה לחלופות ליהלום, הדבר פותח את הדלת לחומרי ניהול חום ואלקטרוניקה מהדור הבא. הנה כמה יישומים פוטנציאליים.

אלקטרוניקה עוצמתית

דמיינו לעצמכם שאתם מחזיקים את המחשב הנייד על הברכיים שלכם כל היום ללא פיזור חום. שילוב מחסומי התרמיה המוליכים במיוחד הללו יכול לסייע ביצירת עידן חדש באלקטרוניקה ניידת וטכנולוגיה מתקדמת. מכשירים יכולים להיות מהירים וחזקים יותר מבלי להזדקק לתמיכה נוספת במערכת קירור.

כלי רכב חשמליים (EV) ואלקטרוניקה חשמלית

שוק הרכבים החשמליים עשוי לראות שיפורים משמעותיים בביצועים הודות לשילוב של מוליכים תרמיים מסוג BA. חומרים אלה עשויים לאפשר ליצרנים להפוך את כלי הרכב שלהם לקלים ובטוחים יותר. ככאלה, הם יוכלו בעקיפין להפיק קילומטראז' רב יותר מטעינה אחת. בנוסף, אסטרטגיה זו עשויה להפחית עלויות עבור רכבים חשמליים בעתיד.

מרכזי נתונים

מרכזי נתונים יהיו בין הראשונים לראות את היתרונות של טכנולוגיה זו. מערכות אקולוגיות עצומות אלו מבוקשות מאוד הודות להתרחבות שיא של שוק הבינה המלאכותית. ככזה, לטכנולוגיה זו תהיה השפעה ישירה על מגזר הבינה המלאכותית מבחינת יכולותיה, ביצועיה ותקורתה בהמשך.

ציר זמן של בורון ארסניד

אזרחים עשויים לראות סוג זה של ציפוי חום בשימוש באלקטרוניקה שלהם בתוך 7-10 השנים הקרובות. עם זאת, צבא ומקרי שימוש אחרים בטכנולוגיה עילית עשויים לקבל גישה לחומרים אלה בחמש השנים הקרובות או פחות. העובדה שהם עולים הרבה פחות לייצור והם נגישים יותר אמורה לסייע בהפחתת זמני האינטגרציה באופן משמעותי.

חוקרי בורון ארסניד

השמיים מוליכות תרמית של בורון ארסניד מעל 2100 וואט למטר לקלווין בטמפרטורת החדר המחקר היה מאמץ משותף ששילב מחקר מכמה מוסדות יוקרתיים, כולל אוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה, בוסטון קולג' ואוניברסיטת יוסטון.

באופן ספציפי, המאמר מפרט את פרופסור Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido ו-Ying Peng כתורמים לעבודה.

כיווני מחקר עתידיים לחומרים לתואר ראשון

בהתחשב בשנים של עבודה שנדרשו כדי להשיג אבן דרך מונומנטלית זו, צפוי שהצוות ימשיך במסעו לשיפור המוליכות התרמית של BA. בעתיד, הם יבחנו גם את השימוש בחומרים אחרים שעשויים לספק תוצאות דומות או טובות יותר.

השקעה בייצור גרפיט

ישנן חברות רבות המייצרות ציפויים מוליכים תרמיים. חברות אלו חיוניות למגזרי ההיי-טק, התחבורה והתעשייה של ימינו. הנה חברה אחת שהייתה מרכזית בשוק בזכות מאמציה ומוצריה החלוציים.

טכנולוגיית Graphjet

טכנולוגיית Graphjet(GTI )הושק בשנת 2019. יצרן גרפיט מלזי זה מספק חומר לאנודה וחומרים חיוניים אחרים לשוק הרכבים החשמליים, האלקטרוניקה ומערכות התקשורת של ימינו.

החברה הייתה חלוצה בשוק מכמה סיבות ויש לה שותפויות אסטרטגיות עם MIT, אוניברסיטת מנצ'סטר ורבות אחרות המבקשות להרחיב את גישתה הקיימת הייחודית.

חברת Graphjet Technology שונה ממתחרותיה במובנים רבים. ראשית, החברה שמה לה למטרה קיימות. זוהי היצרנית הראשונה בעולם שיצרה תהליך בקנה מידה תעשייתי הממיר פסולת חקלאית בצורת קליפות גרעיני דקל ממוחזרות לגרפיט ברמה של סוללות.

המתקן של החברה במלזיה מספק גרפיט מלאכותי בטוהר גבוה, גרפן חד-שכבתי וחומרים חיוניים אחרים. באופן מרשים, המתקן יכול להמיר 9,000 טון של פסולת ל-3,000 טון של גרפיט בשנה. בנוסף, הוא פולט רק 2.95 ק"ג CO2 לכל ק"ג של גרפיט, מה שהופך אותו לנקי ב-83% בהשוואה לחלופות.

כל הגורמים הללו ממשיכים להוביל את תשומת ליבם של משקיעים לכיוון Graphjet Technologies. אלו המחפשים מניית ייצור חדשנית ובת קיימא צריכים לעשות מחקר נוסף על מניות Graphjet.