Science：研究人员首次实验性地实现了复合单晶砷化硼制备

科学家合成一种新的半导体材料——砷化硼，具有1300W/mK的超高热导率。（a）BAs的晶体结构。（b）高分辨率透射电镜下的无缺陷晶体。（c）BAs比其他的半导体和金属更高的各向同性热导率，仅次于金刚石。（d）在四声子输运机制上的新发现。来源“砷化硼高热导率的实验观察”。 Science. doi:10.1126/science.aat5522

加州大学洛杉矶分校的科学家，首次实验合成了一种新的化合物单晶体——砷化硼（BAs），并探索了其无缺陷晶体的热传导极限。他们观察到最高各向同性热导率达到1300 W/mK，超出所有常见的金属和半导体。这项研究建立了一个新的基准热材料，可能潜在地革新电子和光学领域的导热技术。这项研究报告发表在本周《科学》杂志“砷化硼高导热率的实验观察”中。

研究人员开发了一种热超导半导体材料，它能有效地去除由计算机和其他电子或光学器件产生的余热。它能比任何其他半导体或金属更能有效地从热点中汲取热量，并可能革命性地改变目前的电子元件导热模式。这项研究由加州大学洛杉矶分校机械与航空航天工程的Yongjie Hu教授领导，其他成员均为Hu研究小组（H-Labor）的研究生：Joonsang Kang、Man Li、Huan Wu、Huuduy Nguyen。

计算机发热是由于电子经过处理器及电路时，与晶格之间相互作用而产生热量。这些热量会降低电脑的性能，因此必须防止处理器过热来维持其性能。这就是为什么智能手机有散热器，而台式电脑用风扇来吹走热风。拥有数千台计算机的大型数据中心甚至需要大量额外的能源用于他们的高科技冷却系统。

随着电脑处理器尺寸的逐渐缩小，单芯片已经能集成数十亿晶体管，此时热量成为了影响其性能的重要因素。如果这些CPU一开始就不过热，那么保持其冷却将需要很少的能量。对于CPU和LED等新设备的发展来说，导热技术将是最大的障碍之一。

研究团队应用超快光学光谱进行热测量。从左到右：Professor Yongjie Hu，Huuduy Nguyen， Man Li， Joonsang Kang，and Huan Wu。来源：洛杉矶加利福尼亚大学。

考虑到这一目标，加州大学洛杉矶分校的团队开发出一种半导体材料，它比目前导热效率最高的材料表现还好。

这个团队首次实验合成了一种新的化合物单晶体——砷化硼（BAs），其无缺陷晶体的热传导极限达到1300 W/mK，超出所有常见的金属和半导体。由于计算机芯片独特的结构和热性能，集中在计算机芯片热点中的热很快就会消散并被排走。这种新材料的导热率是碳化硅和铜的三倍，是目前在导热行业中使用的最好材料。

“这是一项极具挑战性的工作，它需要精确的材料合成、全面的结构表征等多学科知识来实现精确的热传输测量和理论计算。”加州大学洛杉矶分校（UCLA）机械与航空航天工程助理教授Yongjie Hu说。“自从我加入UCLA以来，我的小组一直致力于这项研究。我们也非常高兴我们的努力得到了回报。这项结果建立了一个导热材料的基准平台，并为基础科学及其应用提供了难得契机。”

这项研究也揭示了一种重要的物理导热机制。固体中的热性能可以通过声子的相互作用来描述，即晶格振动的量子力学模型。几十年来，理论界认为三声子过程支配着热传导，而四声子和高阶过程的影响被认为是可以忽略不计的，这实际上是大多数常见材料的真实情况。这项研究展示了高阶非谐性通过四声子过程对无缺陷BAs单晶的重要作用，这对理论界产生了重要的影响。与独立研究组和Hu组的第一性原理计算结果相比，该结论由实验测量所证实。此外，该研究探讨了弹道热输运现象，并解释了BAs的超高导热率的根源—较长的声子平均自由程。

“这一成就应该属于整个领域，”Hu教授说。“还有许多其他领先的研究小组在实现这一目标方面也取得了进展。特别是，这一成功体现了在新材料发现中实验与第一性原理结合的力量。我相信：在能源、电子和光子应用等领域，这种方法将继续推动新材料发现的科技进步。