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科学家发现超高导热系数砷化硼单晶!是目前散热材料碳化硅的三倍

来源:材料科技在线|

发表时间:2018-11-09

点击:9811

笔记本电脑、手机和其他电子产品在使用过程中会产生热量,这些热量可能会达到临界温度,从而导致操作速度减慢或完全卡顿。例如,大型数据中心必须将大部分能源消耗用于有效的冷却系统。在更小、更强大的电子系统发展过程中,多余的热量消散技术是一个瓶颈,因此迫切需要能够更有效地传导和散热的新材料


在《科学》(Science)杂志上发表的三篇独立报告中,研究人员证实了大约五年前的一个理论预测,即半导体砷化硼(BAs)应具有超高的导热系数,这可能有助于下一代电子和光电器件降温散热


如图所示:下部是出具有热点的计算机芯片的示意图;中部为无缺陷BAs的电子显微镜图像;上部为BAs中的电子衍射图案的图像。由加州大学洛杉矶分校的Yongjie Hu提供


来自德克萨斯大学达拉斯分校,伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校和休斯顿大学的研究人员使用称为时域光热反射技术(TDTR)测量了室温下1000毫米级BAs晶体的热导率为1000±90W/m/K。


图为CVT生长的BAs晶体的扫描电子显微镜图像,由德克萨斯大学达拉斯分校的Bing Lv和伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的David Cahill提供


“我们过去三年一直在研究这个问题,”与 David G. Cahill一起领导这项研究的Bing Lv说。“现在我们的导热系数已经高达约1000W/m/K,在大块材料上仅次于钻石。”


加利福尼亚大学洛杉矶分校的Yongjie Hu团队报告说,利用相同的技术其单晶BAs的室温导热系数为1300W/m/K。


“我们的无缺陷晶体导热系数创历史新高,这与零缺陷BAs理论预测一致,”Hu说。“1300W/m/K这个值,高于所有常见的半导体和金属,如铜和碳化硅,甚至接近金刚石。”


休斯顿大学的Zhifeng Ren及其在麻省理工学院、德克萨斯大学奥斯汀分校、波士顿学院、伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校和劳伦斯伯克利国家实验室的同事们也观察到BAs的热导系数值超过1000W /m/K,平均值为900W/m/K。


这些被记录的BAs导热率大约是目前用作散热材料的碳化硅的三倍。虽然金刚石是最高的热导体(导热率超过2000W/m/K),并且可以用于非常苛刻条件下散热,但是它昂贵且难以大批量生产


BAs可为未来电子设备的散热系统提供替代方案。BAs实现中高水平接近预测导热系数的关键是无缺陷晶体生长。这三个团队都使用改进的化学气相沉积(CVT)技术来生产高质量的BAs单晶,这些BAs基本上没有晶界和缺陷


与其他导热结晶材料一样,BAs通过原子晶格中的振动散发热量。振动可以描述为声子 - 或能量 - 类似于通过晶格传递热量的准粒子。但是晶格中的任何缺陷或杂质都会中断热流并降低材料的导热性。为什么BAs具有如此高的导热率还不完全清楚。一种说法是B和As原子之间的巨大质量差异限制了声子相互作用的方式和数量。材料中较弱的光子相互作用通常等于较高的热导率。同时,BAs的独特能带结构也使得声子有非常长平均自由路径。


“我们的研究通过4声子散射过程验证了无缺陷的BAs具有非常强的高阶非谐性,这一过程几十年来一直被理论界忽略,但对BAs的导热性影响很大,”Hu补充说。


所有研究人员都确定的是,BAs作为热导体的未来是光明的,它可以消散不需要的热量并使电子和光电器件具有更好的性能


“BAs对于电子产品的未来有着巨大的潜力。”Lv说。 “BAs和Si的热膨胀系数之间的紧密匹配将有利于最小化热应力并减少对热界面材料的需求。”


Lv表示,下一步将是通过更好地了解和控制缺陷来提高具有高导热率的BAs晶体的产量。从而开发用于大规模生产这些材料的新技术


Hu和他在加州大学洛杉矶分校的团队已经开始生产10毫米左右的BAs样品,现在的目标是针对晶圆大小的样品。


他说:“BAs 比任何其他已知的半导体或金属材料更有效地吸取和散发热量。” “这可能会彻底改变计算机处理器和其他电子产品的热管理设计,或者用于LED之类的基于光电设备,特别是当现代电子设备缩小到纳米尺度。”


Ren和他的团队正朝着类似的目标努力。


“化学气相沉积仅用于证明BAs高导热性,但不一定能大规模生产,”Ren说。 “我们希望生长出更大更好的单晶,具有更高的导热系数。”


文章来源于materialstoday,由材料新闻在线团队编译,原文题目:Boron arsenide helps devices keep their cool

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