Science:如何提升电子设备散热效率？砷化硼晶体或许大有可为

德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员和他们的合作者创造并表征了砷化硼的微小晶体，这种材料具有高导热性。由于半导体材料可以有效地传递热量，因此它们可以用于未来的电子设备，以帮助电子设备免受过热的影响。来源：德克萨斯大学达拉斯分校

你的笔记本电脑或手机在玩了几个小时的游戏或一次运行过多的应用程序后，就会开始变得发热，这实际上是这些设备在不停工作。

从计算机内部到外部环境的电路中，会不断产生热量：过热的计算机芯片可以使程序运行变得更慢，严重情况下甚至会完全关闭设备或造成永久性损坏。

随着消费者需要更小、更快、更强大的电子设备，但是问题随之而来，这种设计能吸引更多的电流并产生更多的热量，热管理问题已经成为电子技术的瓶颈。使用目前的技术，已经达到从内向外消耗热量的极限。

德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员和伊利诺伊大学厄本那香槟分校以及休士顿大学的合作者创造了一个潜在的解决方案，这项研究发表在7月5日的《科学》杂志上。

Bing Lv（发音“love”）是达拉斯分校自然科学与数学学院的助理教授，他的同事们生产了一种半导体材料晶体，称为砷化硼，具有极高的热导率。

“对于依赖于计算机芯片和晶体管的产业来说，热管理非常重要，”该研究的相应作者Lv说。对于高功率的小型电子器件，我们不能用金属来散热，因为金属会导致设备短路。我们还不能使用冷却风扇，因为那些会占用大量的空间。我们需要的是一种廉价的半导体，也能分散大量的热量。

今天的大多数计算机芯片都是由硅制成的，这是一种结晶性的半导体材料，能充分散热。但是硅和其他冷却技术结合在一起，处理热量的能力目前已达到了极限。

已知材料中，金刚石具有最高的热导率，约2200 W/(m•K)，而硅约为150 W/(m•K)。Lv说，尽管金刚石偶尔被掺入苛刻的散热材料中，但天然金刚石的成本和人造金刚石膜的结构缺陷，使得这种材料在电子产品中的广泛应用非常不切实际。

在2013年，波士顿学院和海军研究实验室的研究人员发表了一项研究，预测砷化硼可能会像钻石一样散发热量。2015年，Lv和他的同事在休士顿大学成功地生产了这样的砷化硼晶体，但是这种材料具有相当低的热导率，大约200W/(m•K)。

从那时起，Lv在达拉斯分校的工作就一直致力于优化晶体生长过程，以提高材料的性能。

Lv说：“在过去的三年中，我们一直致力于这项研究，现在已经获得了大约1000 W/(m•K)的热导率，在块状材料中它的性能仅仅次于钻石。”

Lv与博士后研究伙伴Sheng Li合作，Sheng Li是这项究的共同作者，同时还有物理学博士生Xiaoyuan Liu，他用一种叫做化学气相输运的技术制备了高导热率晶体。元素硼和砷-被放置在一个一端热和另一端冷的腔室。在腔室内，另一种化学物质将硼和砷从热端输送到冷端，其中元素结合形成了晶体。

“从我们以前的200 W/(m•K)到1000 W/(m•K)，这简直是一个飞跃。我们需要调整许多参数，包括我们开始使用的原材料，腔室的温度和压力，甚至我们使用的管子类型以及我们如何清洗设备。”Lv说。

David Cahill和Pinshane Huang的研究小组在伊利诺伊大学厄本那香槟分校的研究工作中发挥了关键作用，他们利用最先进的电子显微镜研究了砷化硼晶体的缺陷，并测量了这种非常小晶体的导热系数。

“我们用过去几十年在伊利诺斯开发的一种方法成功测量了热导率，这种方法称为“时域热反射或TDTR，”材料科学与工程系该项研究的相应作者Cahill说。TDTR使我们能够测量几乎任何材料在大部分条件下的热导率，这种方法对于这项工作的成功是必不可少的。

砷化硼和其他晶体中散热的方式与材料的振动有关。当晶体振动时，运动产生声子能量，它可以被认为是携带热的准粒子。Lv说，砷化硼晶体的独特特征——包括硼和砷原子之间的质量差异——有助于声子更有效地远离晶体。

“我认为砷化硼对电子产品的未来有很大的潜力，”Lv说。它的半导体性质与硅非常相似，这就是为什么将砷化硼掺入半导体器件是理想的。

Lv说，砷本身对人体有毒，一旦它被掺入砷化硼化合物中，这种物质就变得非常稳定并且无毒了。

这项工作的下一步将尝试采用其他工艺来改善这种材料在大规模应用中的性能。

此外，这项研究得到了海军研究办公室和空军科学研究办公室的支持。