Арсенід бору щойно перевершив алмаз у теплопередачі

Міжнародна команда вчених на чолі з інженерами Х'юстонського університету щойно довела хибність давньої теорії теплопровідності. Їхня робота розширила межі матеріалознавства та може надихнути на кілька відповідних проривів у найближчі місяці. Як така, вона вважається важливою віхою в науковій спільноті. Ось що вам потрібно знати.

Чому теплопровідність важлива в сучасній електроніці

Щоб зрозуміти важливість цього прориву, вкрай важливо зрозуміти вирішальну роль, яку відіграє термобар'єрне покриття в сучасних технологіях. Ці покриття, які зазвичай наносяться на металеві компоненти, допомагають зменшити вплив тепла на життєво важливі компоненти.

Теплопровідний бар'єр, який вони створюють, допомагає зробити сучасні двигуни довговічнішими, комп'ютери швидшими, а також є важливою частиною багатьох промислових секторів. Таким чином, постійно проводяться дослідження щодо вдосконалення цих поверхонь. Хоча в галузі синтетичних матеріалів було досягнуто багатьох досягнень, жоден з них ніколи не зможе конкурувати з природними.

діаманти

Протягом багатьох десятиліть алмази вважалися найкращим ізотропним матеріалом для теплопровідності. Ізотропні матеріали унікальні тим, що вони забезпечують рівномірний розподіл тепла по всіх кристалографічних напрямках. Вони перевершують теплопередачі з кількох ключових причин, включаючи їхні щільні ковалентні вуглець-вуглецеві зв'язки.

Обмеження алмазу як теплопровідника

Деякі проблеми виникають разом із використанням алмазних термічних покриттів, які продовжують давати дослідникам підстави для подальшого пошуку інших матеріалів. По-перше, вони дорожчі за інші ізотропні матеріали. Крім того, з ними може бути важко працювати.

Незважаючи на ці обмеження, алмази все ще використовуються, коли швидке розсіювання тепла є критично важливим. Однак дедалі більше інженерів вважають, що за допомогою синтезованих матеріалів можна перевершити характеристики алмазів. Одним із матеріалів, який привертає все більшу увагу, є арсенід бору.

Арсенід бору (БА)

Арсенід бору (БА) вперше з'явився в 1959 році після того, як вчені успішно синтезували бор та миш'як. Цей ранній експеримент залишався бездіяльним протягом багатьох десятиліть, аж до 2000-х років. Саме тоді досягнення в комп'ютерному моделюванні та матеріалознавстві раптово дозволили побачити, як БА можуть служити потенційним провідником тепла.

Лише у 2013 році Девід Бройдо, фізик з Бостонського коледжу, зробив переконливий прогноз, в якому він описав сценарій, за якого BA перевершують теплопровідність алмазу. Він використав розрахунки, щоб показати, що матеріал здатний досягти теплопровідності 2200 Вт/м·K за кімнатної температури, використовуючи метод трифононного розсіювання.

У 2015 році професор Х'юстонського університету Чжифенг Рен розвинув цю концепцію далі, коли він та його команда виростили кристали BAs у своїй лабораторії та протестували їх. Він провів кілька експериментів, у яких досяг теплопровідності монокристала 1500 Вт/м·K за кімнатної температури.

Цей рейтинг поставив баритоніди на друге місце після алмазів за теплопровідністю. Це також надихнуло на подальші дослідження матеріалу та способів досягнення оптимальної теплопровідності 2200 Вт/м·K за кімнатної температури, передбаченої Бройдо роками раніше.

Проблеми досягнення високочистих БА

З того часу проводилися роботи над використанням BA як теплопровідника. Однак зміни в стратегіях розсіювання фононів та інші проблеми призвели до того, що інженери побачили, що їхні результати знизилися приблизно до 1,300 Вт/мК. На щастя, нещодавнє дослідження показало, що спричинило ці обмеження та як їх зменшити.

Дослідження арсеніду бору

Команда Теплопровідність арсеніду бору вище 2100 Вт на метр на Кельвін за кімнатної температури¹ дослідження, опубліковане в науковому журналі Materials Today, розкриває, як інженерам вдалося отримати безпрецедентну теплопровідність 2100 Вт/м·K у монокристалах арсеніду бору за кімнатної температури.

У чому була проблема?

Як зазначили інженери, математика була правильною, але експерименти не відповідали очікуванням. Саме тоді вони вирішили переглянути основні компоненти та стратегію, щоб побачити, де можна внести покращення. Однією з ключових областей, де вони помітили втрату провідності, є домішки.

Джерело – Materials Today

Примітно, що в ізотропних матеріалах можливості теплопередачі відповідають кристалографічним шляхам матеріалу. В оптимальних умовах ці шляхи забезпечують плавний перехід. Однак інженери зазначили, що в попередніх експериментах використані кристали мали кілька недоліків, які фактично перешкоджали продуктивності. Тому вони вирішили виростити якомога чистіші BA.

Як вирощувати БА без домішок

Щоб виконати це завдання, вони почали переосмислювати процес з нуля. Вони почали з надчистого миш'яку. Далі мене піддали чотириетапному синтезу, який ще більше зменшив кількість домішок.

Наступним кроком було ретельне очищення кварцової трубки. Примітно, що інженери використовували стандартні процеси очищення напівпровідників, що включали багаторазове ультразвукове очищення з використанням кількох матеріалів, зокрема ацетону, етанолу та деіонізованої води. Потім її висушили в печі, видаляючи будь-яку залишкову вологу.

Звідти інженери використовували пропускаючі лампи для перевірки теплопровідності та наявності домішок. Вони одразу помітили, що концентрація точкових дефектів в окремих кристалах значно нижча порівняно з попередніми спробами.

Як дослідники вимірювали теплопровідність BA

Вчений перевірив теплопровідність кристалів, використовуючи кілька дуже точних методів. Спочатку команда використала метод термовідбиття в часовій області (TDTR) для реєстрації теплопровідності. У цьому тесті інженери покрили кристали 100-нм шаром алюмінієвого перетворювача за допомогою електронно-променевого випаровування для забезпечення точності.

Після цього група використала раманівську спектроскопію, щоб виявити будь-які залишки домішок у кристалах. Потім вони об'єднали дані, щоб отримати точне уявлення про можливості та недоліки матеріалів. Те, що вони виявили, мало змінити теплову динаміку в майбутньому.

Рекордні результати теплопровідності

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Випробування команди довело, що BA здатні досягти теплопровідності рівня алмазу. Зокрема, вчені зафіксували 2,100 Вт/мК за кімнатної температури. Примітно, що спектри Рамана дозволили інженерам спостерігати залежність T−1.8, відкривши шлях для подальших досліджень та покращення продуктивності.

Інженери зазначили, що модифікований теоретичний розрахунок дозволить їм налаштувати процес для використання трифононного розсіювання фононів у діапазоні 4–8 ТГц, а не чотирифононного розсіювання, яке зазвичай використовується сьогодні. Використовуючи цей підхід, команді вдалося зафіксувати температурну залежність від 300 до 400 К.

Переваги арсеніду бору

Ця робота приносить багато переваг ринку. По-перше, вона відкриває шлях до того, щоб високотехнологічні пристрої майбутнього стали набагато доступнішими та доступнішими. Діаманти дорогі та рідкісні, тоді як біомаси (BA) можна виготовляти на замовлення. Крім того, їх легше виробляти та інтегрувати.

Арсенід бору як напівпровідниковий матеріал

Одним несподіваним відкриттям стало те, що BA є перевершуючими напівпровідниками. Випробування показали, що створені ними BA перевершують кремній у кількох ключових категоріях. Зокрема, вони пропонують кращу провідність, рухливість носіїв заряду, теплове розширення та можуть підтримувати ширшу заборонену зону.

Надихніть на нову еру в термічному матеріалознавстві

Ця робота демонструє, чому вченим потрібно постійно розширювати межі можливого, щоб досягти успіху у своїх результатах. Протягом десятиліть алмази вважалися беззаперечними королями теплопровідності. Тепер уся наукова спільнота повинна переоцінити свої теорії, що відкриє простір для нових досягнень, які раніше вважалися неможливими.

Реальне застосування та часова шкала арсеніду бору

Ця робота має багато застосувань. По-перше, дослідження змінить уявлення виробників про терморегуляцію. Якщо цей матеріал можна буде послідовно синтезувати з нижчою вартістю та більшою доступністю, ніж алмазні альтернативи, це відкриє шлях для матеріалів та електроніки наступного покоління для терморегуляції. Ось кілька потенційних застосувань.

Потужна електроніка

Уявіть, що ви цілий день тримаєте ноутбук на колінах без жодного розсіювання тепла. Інтеграція цих високопровідних теплових бар'єрів може допомогти започаткувати нову еру у високотехнологічній та портативній електроніці. Пристрої можуть стати швидшими та потужнішими без потреби в додатковій системі охолодження.

Електромобілі (EV) та силова електроніка

Ринок електромобілів може побачити значне покращення продуктивності завдяки інтеграції біохімічних речовин (BA) як теплопровідників. Ці матеріали потенційно можуть дозволити виробникам зробити свої транспортні засоби легшими та безпечнішими. Таким чином, вони можуть опосередковано отримати більший пробіг на одному заряді. Крім того, ця стратегія може знизити вартість електромобілів у майбутньому.

центри обробки даних

Центри обробки даних будуть одними з перших, хто побачить переваги цієї технології. Ці масивні екосистеми користуються високим попитом завдяки рекордному зростанню ринку штучного інтелекту. Таким чином, ця технологія матиме прямий вплив на сектор штучного інтелекту з точки зору його можливостей, продуктивності та накладних витрат у майбутньому.

Хронологія арсеніду бору

Цивільні користувачі можуть побачити цей тип термопокриття, що використовується у своїй електроніці протягом наступних 7-10 років. Однак військові та інші спеціалізовані високотехнологічні випадки використання можуть отримати доступ до цих матеріалів протягом наступних 5 років або менше. Той факт, що його виробництво коштує набагато менше та є більш доступним, має допомогти значно скоротити час інтеграції.

Дослідники арсеніду бору

Команда Теплопровідність арсеніду бору вище 2100 Вт на метр на Кельвін за кімнатної температури Дослідження було результатом спільної роботи, яка поєднала дослідження кількох престижних установ, включаючи Каліфорнійський університет Санта-Барбари, Бостонський коледж та Х'юстонський університет.

Зокрема, у документі вказані професор Чжифен Рен, Болін Ляо, Анже Бенісе Ніїкіза, Зейю Сян, Фанхао Чжан, Фенцзяо Пан, Чуньхуа Лі, Метью Делмонт, Девід Бройдо та Ін Пен як учасники роботи.

Майбутні напрямки досліджень матеріалів для BA

З огляду на роки роботи, необхідної для досягнення цієї монументальної віхи, очікується, що команда продовжить свій шлях до покращення теплопровідності BA. У майбутньому вони також розглядатимуть можливість використання інших матеріалів, які можуть забезпечити порівнянні або кращі результати.

Інвестування у виробництво графіту

Існує багато фірм, які виробляють теплопровідні покриття. Ці компанії мають вирішальне значення для сучасних високотехнологічних, транспортних та промислових секторів. Ось одна фірма, яка відіграла ключову роль на ринку завдяки своїм новаторським зусиллям та продуктам.

Технологія Graphjet

Технологія Graphjet(GTI )запущено у 2019 році. Цей малайзійський виробник графіту постачає анодний матеріал та інші важливі матеріали для сучасного ринку електромобілів, електроніки та систем зв'язку.

Компанія є піонером на ринку з кількох причин і має стратегічні партнерства з Массачусетським технологічним інститутом, Манчестерським університетом та багатьма іншими, прагнучи розширити свій унікальний сталий підхід.

Компанія Graphjet Technology відрізняється від своїх конкурентів багатьма аспектами. По-перше, компанія зосереджена на сталому розвитку. Це перший у світі виробник, який створив процес промислового масштабу, що перетворює сільськогосподарські відходи у вигляді переробленої шкаралупи пальмових кісточок на графіт акумуляторного класу.

Малайзійський завод компанії постачає високочистий штучний графіт, одношаровий графен та інші важливі матеріали. Вражає те, що завод може перетворювати 9,000 метричних тонн відходів на 3,000 метричних тонн графіту щорічно. Крім того, він викидає лише 2.95 кг CO2 на кг графіту, що робить його на 83% чистішим за альтернативи.

Усі ці фактори продовжують привертати увагу інвесторів до Graphjet Technologies. Тим, хто шукає інноваційні та стійкі акції виробничої компанії, слід детальніше дослідити акції Graphjet.