Zespół fizyków teoretycznych z US Naval Research Laboratory (NRL) i Boston College odkrył, że sześcienne cząsteczki arsenku boru są materiałem o wyjątkowo wysokiej przewodności cieplnej i mają większy potencjał w zakresie przenoszenia ciepła niż diament – najbardziej znany obecnie termiczny przewodnik.
Układy scalone w urządzeniach mikroelektronicznych stają się coraz mniejsze, a przy tym szybsze i bardziej wydajne. Miniaturyzacja wiąże się ze zwiększonym nagrzewaniem i emisją ciepła. Praca naukowców z NRL przynosi świeże spojrzenie na transport ciepła w materiałach. Arsenek boru o bardzo wysokiej przewodności cieplnej może mieć potencjalne zastosowanie przy pasywnym chłodzeniu wielu urządzeń.
Obliczania przewodności cieplnej wykonane przez naukowców wykazały, że BAs – arsenek boru ma przewodnictwo na poziomie 2000 W/(m·K). Dla porównania zakres przewodności diamentu to 900–2320 W/(m·K), miedzi 370-400 W/(m·K), stali 58 W/(m·K) (podane współczynniki przewodności cieplnej obowiązują dla stanu powietrzno-suchego przy temperaturze 20 °C i wilgotności względnej RH=50%)
W przeciwieństwie do metali, gdzie elektrony lub dziury przenoszą ciepło, arsenek boru oraz diament są izolatorami elektrycznymi ze względu na dużą przerwę energetyczną między pasmem walencyjnym i przewodnictwa (pasmowa teoria przewodnictwa). Przewodzenie ciepła w takich materiałach odbywa się dzięki fononom. Fonon to kwantowa wersja specjalnych typów drgań wibracyjnych. To nic innego jak drgania cieplne sieci krystalicznej.
Diament jako materiał do chłodzenia elektroniki jest ciekawym rozwiązaniem. Niestety w formie naturalnej występuje rzadko, a wytwarzanie syntetycznych form jest czasochłonne (powolne tempo wzrostu i konieczność zastosowania dużego ciśnienia), bardzo drogie. Sztuczne diamenty są gorszej jakości niż naturale, co ma wpływ na właściwości.
“Techniki termicznego transportu opracowane przez zespół NRL otwierają drogę do pełniejszego zrozumienia podstawowych cech transportu ciepła i umożliwiają dokładne zaprojektowanie przewodności cieplnej nowych materiałów” – powiedział dr Thomas L. Reinecke, fizyk wydziału elektroniki i technologi.
Zaskakujące wyniki dla arsenku boru wynikają z niezwykłych właściwości wibracyjnych sieci krystalicznej, które leżą poza powszechnie przyjętymi granicami dla elektrycznych izolatorów.
“Jeśli te ekscytujące wyniki będą zweryfikowane eksperymentalnie, stworzy to nowe możliwości zastosowania chłodzenia pasywnego z arsenku boru. Jednocześnie udowodni, jak ważną rolę, odgrywają obliczenia teoretyczne przy projektowaniu nowych materiałów o wysokiej przewodności cieplnej” – powiedział Reinecke.
Badania wspierane są częściowo przez Office of Naval Research (ONR) i Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) dostarczają istotnych informacji na temat fizyki transportu ciepła w materiałach.
Źródło:
[1] http://www.nrl.navy.mil/media/news-releases/2013/nrl-researchers-discover-novel-material-for-cooling-of-electronic-devices | 01.08.2013
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Boron_arsenide | 01.08.2013
[3] Processor & Heatsink by Steven Lilley (sk8geek), flickr.com, CC BY-SA 2.0