Scienziati dell'UCLA, per la prima volta, realizzato sperimentalmente un nuovo composto monocristallo, arseniuro di boro (BAs) e ha esplorato il suo limite di conduttività termica quando i cristalli sono privi di difetti. Hanno osservato la più alta conduttività termica isotropa, 1300 W/mK, oltre tutti i metalli comuni e i semiconduttori. Questo studio ha stabilito un nuovo materiale termico di riferimento che potrebbe potenzialmente rivoluzionare le tecnologie di gestione termica nell'elettronica e nella fotonica. Questo lavoro è riportato nel documento "Experimental Observation of High Thermal Conductivity in Boron Arsenide, " pubblicato online questa settimana in Scienza .

I ricercatori hanno sviluppato un materiale semiconduttore termicamente ultraconduttivo che potrebbe ridurre drasticamente la temperatura di riscaldamento e rimuovere efficacemente il calore di scarto generato da computer e altri dispositivi elettronici o fotonici. È più efficace nell'allontanare il calore dai punti caldi rispetto a qualsiasi altro semiconduttore o metallo e potrebbe potenzialmente rivoluzionare gli attuali paradigmi tecnologici per la gestione termica dell'elettronica. Lo studio è stato condotto dal professor Yongjie Hu di ingegneria meccanica e aerospaziale, e tutti gli altri autori sono studenti laureati UCLA del gruppo di ricerca di Hu (H-Lab):Joonsang Kang, uomo Li, Huan Wu, e Huuduy Nguyen.

I computer si surriscaldano perché gli elettroni che viaggiano attraverso i processori e i circuiti generano calore mentre si muovono, Per esempio, loro interazione con i reticoli. Il calore degrada le prestazioni di elaborazione, quindi evitare che i processori dei computer si surriscaldino è il motivo per cui gli smartphone hanno un dissipatore di calore, o perché i desktop hanno ventole per far uscire l'aria calda. I grandi data center con migliaia di computer richiedono molta energia aggiuntiva per i loro sistemi di raffreddamento ad alta tecnologia.

Poiché i processori dei computer hanno continuato a ridursi fino a dimensioni in cui miliardi di transistor si trovano su un singolo chip, il calore è diventato sempre più un fattore importante nelle loro prestazioni. Se quelle CPU non si sono surriscaldate in primo luogo, allora sarebbe necessaria molta meno energia per mantenerli freschi. La gestione del calore è uno dei maggiori ostacoli per i nuovi dispositivi come processori per computer o LED.

Con questo obiettivo in mente, il team dell'UCLA ha deciso di sviluppare un materiale semiconduttore che è di gran lunga migliore nella gestione del calore rispetto a quelli attualmente più performanti.

Questo team dell'UCLA ha riferito per la prima volta, la realizzazione sperimentale di arseniuro di boro esente da difetti con la più alta conducibilità termica (1300 W/mK) tra tutti i comuni materiali semiconduttori e metalli. Il calore che si concentra nei punti caldi dei chip dei computer viene rapidamente dissipato ed eliminato grazie alle sue proprietà strutturali e termiche uniche. Il nuovo materiale è tre volte più conduttivo del carburo di silicio e del rame, i migliori materiali attualmente in uso nell'industria della gestione del calore.

"Questo è un lavoro molto impegnativo che richiede competenze altamente multidisciplinari dalla sintesi precisa dei materiali, caratterizzazioni strutturali complete, a misurazioni accurate del trasporto termico e calcoli teorici, "dice Yongjie Hu, un assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale dell'UCLA. "Il mio gruppo si è dedicato a questo sforzo negli ultimi anni da quando sono entrato a far parte della facoltà dell'UCLA e siamo molto lieti che il nostro duro lavoro sia stato ripagato. Il risultato ha stabilito una piattaforma di materiale termico di riferimento per molte opportunità sia nella scienza fondamentale che nelle applicazioni ."

Questo studio rivela anche un'importante fisica dei meccanismi di trasporto termico. Le proprietà termiche nei solidi possono essere descritte dalle interazioni dei fononi, cioè i modi quantomeccanici delle vibrazioni reticolari. Per molti decenni, i teorici ritengono che il processo a tre fononi governi il trasporto termico, e si credeva che gli effetti dei processi a quattro fononi e di ordine superiore fossero trascurabili, che in realtà è il vero caso per i materiali più comuni. Questo studio ha un impatto significativo sul campo della teoria, dimostrando che l'anarmonia di ordine elevato attraverso il processo a quattro fononi fornisce un contributo importante nei singoli cristalli di BA privi di difetti. La conclusione è stata supportata dalla loro misurazione sperimentale, rispetto ai calcoli ab initio di gruppi di ricerca indipendenti e del gruppo di Hu. Per di più, lo studio ha sondato la fisica del trasporto termico balistico e ha spiegato l'origine della conduttività termica ultraelevata dei BA a causa dei suoi lunghi percorsi liberi medi fononici.

"Questo risultato e questa celebrazione dovrebbero andare a tutto il campo, " Hu ha detto. "Ci sono molti altri importanti gruppi di ricerca che stanno facendo progressi verso questo obiettivo. In particolare, questo successo esemplifica il potere di combinare esperimenti e teoria ab initio nella scoperta di nuovi materiali, e credo che questo approccio continuerà a spingere le frontiere scientifiche nella scoperta di nuovi materiali per molte aree tra cui energia, elettronica, e applicazioni fotoniche."