Un team di fisici teorici presso il Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti e il Boston College ha identificato l'arseniuro di boro cubico come un materiale con una conduttività termica straordinariamente elevata e il potenziale per trasferire il calore dai dispositivi elettronici in modo più efficace rispetto al diamante, il più noto conduttore termico fino ad oggi.

Man mano che i dispositivi microelettronici diventano più piccoli, più veloce e più potente, la gestione termica sta diventando una sfida critica. Questo lavoro fornisce nuove informazioni sulla natura del trasporto termico a livello quantitativo e prevede un nuovo materiale, ad altissima conducibilità termica, di potenziale interesse per applicazioni di raffreddamento passivo.

Calcolo della conduttività termica dei composti di boro cubico III-V utilizzando un approccio predittivo dei primi principi, il team ha scoperto che l'arseniuro di boro (BA) ha una notevole conduttività termica a temperatura ambiente, maggiore di 2, 000 Watt per metro per grado Kelvin (> 2000 Wm ^-1 K ^-1 ). Questo è paragonabile a quelli in diamante e grafite, quali sono i valori di massa più elevati conosciuti.

A differenza dei metalli, dove gli elettroni trasportano il calore, il diamante e l'arseniuro di boro sono isolanti elettrici. Per quest'ultimo tipo di materiali il calore è trasportato da onde vibrazionali (fononi) degli atomi costituenti, e la resistenza intrinseca al flusso di calore risulta da queste onde che si disperdono l'una dall'altra. Il diamante è interessante per le applicazioni di raffreddamento ma è scarso e la sua fabbricazione sintetica soffre di tassi di crescita lenti, costi alti e bassa qualità. Però, Finora sono stati compiuti pochi progressi nell'identificazione di nuovi materiali ad alta conduttività termica.

Storicamente, completamente microscopico, le tecniche dei materiali computazionali prive di parametri sono state più avanzate per le proprietà elettroniche che per il trasporto termico.

"Negli ultimi anni con i contributi del team NRL, sono state sviluppate tecniche quantitative 'ab initio' per il trasporto termico, " ha detto il dottor Thomas L. Reinecke, fisico, Divisione Scienza e Tecnologia Elettronica. "Queste tecniche aprono la strada a una comprensione più completa delle principali caratteristiche fisiche nel trasporto termico e alla capacità di prevedere con precisione la conduttività termica dei nuovi materiali".

Questi risultati sorprendenti per l'arseniuro di boro derivano da un'insolita interazione di alcune delle sue proprietà vibrazionali che esulano dalle linee guida comunemente utilizzate per stimare la conduttività termica degli isolanti elettrici. Queste caratteristiche fanno sì che la dispersione tra le onde vibrazionali sia molto meno probabile di quanto sia tipico in una certa gamma di frequenze, che a sua volta consente di condurre grandi quantità di calore in questa gamma di frequenze. "Se questi risultati entusiasmanti vengono verificati sperimentalmente, aprirà nuove opportunità per applicazioni di raffreddamento passivo con arseniuro di boro, e dimostrerebbe il ruolo importante che tale lavoro teorico può svolgere nel fornire una guida per identificare nuovi materiali ad alta conduttività termica, "dice Reinecke.

I calcoli della conducibilità termica di questo gruppo sono in buon accordo con i risultati sperimentali disponibili per un'ampia gamma di materiali. Il team era composto dai dott. Lucas Lindsay e Tom Reinecke all'NRL e il dottor David Broido al Boston College.

Questa ricerca, supportato in parte dall'Office of Naval Research (ONR) e dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DAPRA), fornisce importanti nuove informazioni sulla fisica del trasporto termico nei materiali, e illustra la potenza delle moderne tecniche computazionali nel fare previsioni quantitative per materiali le cui proprietà devono ancora essere misurate.