Gli scienziati sanno da tempo che il diamante è il materiale migliore per condurre il calore, ma ha degli svantaggi:è costoso ed è un isolante elettrico; quando accoppiato con un dispositivo a semiconduttore, il diamante si espande a una velocità diversa rispetto al dispositivo quando viene riscaldato.

Ora un gruppo di ricercatori provenienti da tutti gli Stati Uniti ha riferito che un cristallo cresciuto da due elementi minerali relativamente comuni, boro e arsenico, dimostra una conduttività termica molto più elevata rispetto a qualsiasi altro semiconduttore e metallo attualmente in uso, compreso il silicio, carburo di silicio, rame e argento.

La scoperta ha il potenziale per affrontare una serie di sfide tecnologiche, compresi dispositivi elettronici di raffreddamento e nanodispositivi, disse il fisico Zhifeng Ren, un ricercatore del Texas Center for Superconductivity dell'Università di Houston e uno degli autori corrispondenti dell'articolo che annuncia la scoperta, pubblicato giovedì, 5 luglio nel diario Scienza .

La conduttività termica è misurata nell'unità di Wm-1K-1, usato per indicare la quantità di calore che può passare attraverso un materiale lungo un metro quando la differenza di temperatura da un lato all'altro è di 1 grado Kelvin. Il cristallo di boro-arseniuro ha una conduttività superiore a 1, 000 a temperatura ambiente, hanno riferito i ricercatori.

Rame, a confronto, ha una conducibilità di circa 400; il diamante ha una conduttività termica riportata di 2, 000.

I precedenti tentativi di sintetizzare l'arseniuro di boro hanno prodotto cristalli che misurano meno di 500 micrometri, troppo piccoli per un'applicazione utile.

Ma i ricercatori ora hanno segnalato la crescita di cristalli più grandi di 4 millimetri per 2 millimetri per 1 millimetro. Un cristallo più grande potrebbe essere prodotto estendendo il tempo di crescita oltre i 14 giorni utilizzati per l'esperimento, loro hanno detto.

Lavorando con Tom Reinecke al Naval Research Lab e Lucas Lindsay all'Oak Ridge National Laboratory, David Broido, un fisico teorico al Boston College e uno degli autori dell'articolo, per primo propose che la combinazione potesse produrre un cristallo ad alta conducibilità termica, sfidando la teoria convenzionale secondo cui la conduttività termica del reticolo ultraelevato potrebbe verificarsi solo in cristalli composti da elementi leggeri fortemente legati, limitato da processi anarmonici a tre fononi.

Questo lavoro conferma la teoria, anche se ci è voluto un po'. Diversi ricercatori coinvolti nella pubblicazione in corso, insieme a Bing Lv, poi ricercatore presso l'UH e ora membro di facoltà presso l'Università del Texas-Dallas, ha riferito di aver sintetizzato un piccolo cristallo con una conduttività di circa 200 nel 2015.

Il lavoro successivo nel laboratorio di Ren ha portato al più grande, cristallo più altamente conduttivo riportato in Scienza .

Broido ha definito la conferma un "esempio di interazione collaborativa tra teoria, sintesi e misurazione dei materiali. Che questo sia stato realizzato e la teoria confermata è una testimonianza della persistenza e dell'abilità dei team di sintesi e misurazione".

Paul Ching Wu Chu, T.L.L. Temple Chair of Science presso l'UH e direttore fondatore del Texas Center for Superconductivity, ha detto che combinare il boro con l'arsenico è stata una sfida complessa.

"La mancata corrispondenza tra le proprietà fisiche del boro e dell'arsenico rende estremamente difficile la sintesi dell'arseniuro di boro e quasi impossibile i singoli cristalli di arseniuro di boro, " Egli ha detto.

I ricercatori hanno creato il cristallo utilizzando il trasporto chimico del vapore, complicato dal fatto che il boro ha un punto di fusione di 2, 076 gradi centigradi, mentre l'arsenico cambia direttamente da solido a gas.

Co-autore Shuo Chen, assistente professore di fisica all'UH, ha detto che il cristallo potrebbe essere utile per raffreddare i dispositivi elettronici.

"La dissipazione del calore è cruciale per l'elettronica ad alta densità di potenza, " ha detto. "Pertanto, materiali con elevata conduttività termica sono necessari per fungere da substrati nell'elettronica ad alta densità di potenza."

Il potenziale per un semiconduttore con elevata conducibilità termica è immenso, disse Chen.

"Utilizzando impulsi laser a femtosecondi, siamo stati in grado di misurare le conducibilità termiche dei cristalli di boro-arseniuro, " ha aggiunto Bai Song, un associato post-dottorato guidato dal professor Gang Chen nel Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT. "Una conduttività termica così elevata rende l'arseniuro di boro interessante per le applicazioni microelettroniche sia come materiali per dispositivi che come materiali per dissipatori di calore".

Il progetto è stato finanziato dalla Multidisciplinary University Research Initiative della US Navy, guidato da Li Shi, professore di ingegneria meccanica all'Università del Texas ad Austin.

Shi ha notato che i membri del team dell'UT-Austin e del MIT hanno ideato quattro diversi metodi per convalidare l'arseniuro di boro come il primo semiconduttore noto con una conduttività termica fino a 1000 Wm-1 K-1 a temperatura ambiente.

Il prossimo passo, Egli ha detto, sarà "esplorare le tecnologie dei dispositivi con i cristalli sfusi di arseniuro di boro".