Boron Arsenid overgår diamant i varmeoverføring

Et internationalt hold af videnskabsmænd ledet af University of Houston ingeniører har lige beviset en længe holdt termisk lednings-evne teori forkert. Deres arbejde har udvidet grænserne for materialevidenskab yderligere og kan inspirere flere tilsvarende gennembrud i de kommende måneder. Som sådan ses det som en stor milepæl i det videnskabelige samfund. Her er, hvad du skal vide.

Hvorfor termisk lednings-evne er vigtig i moderne elektronik

For at forstå betydningen af dette gennembrud er det afgørende at forstå den afgørende rolle, termisk barrierbehandling spiller i dagens teknologi. Disse belægninger, der normalt påføres metaldele, hjælper med at reducere varmeeksponering af væsentlige komponenter.

Termisk lednings-evne barrieren de skaber hjælper med at gøre i dagens motorer mere holdbare, computere hurtigere og er en vigtig del af mange industrielle sektorer. Som sådan er der konstant forskning i at forbedre disse overflader. Selvom der har været mange fremskridt i syntetiske materialer, kunne ingen nogensinde konkurrere med naturen.

Diamanter

I mange årtier har diamanter været betragtet som det bedste isotrope materiale for varmeledning. Isotrope materialer er unikke, fordi de tilbyder ensartet varme distribution over alle krystallografiske retninger. Velvidende udgør de en fremragende varmeoverføring af flere nøgleårsager, herunder deres tætte kovalente kulstof-kulstof bindinger.

Begrænsninger af diamant som termisk leder

Nogle problemer følger med brugen af diamant termiske belægninger, der giver forskerne grund til at fortsætte deres søgen efter andre materialer. For det første er de mere dyre end andre isotrope materialer. Desuden kan de være svære at arbejde med.

Trods disse begrænsninger bruges diamanter stadig, når hurtig varmeafledning er afgørende. Men en voksende antal ingeniører mener nu, at det er muligt at overgå diamantens præstation ved hjælp af syntetiserede materialer. Et materiale, der har fået øget opmærksomhed, er Boron Arsenid.

Boron Arsenid (BAs)

Boron Arsenid (BAs) opstod først i 1959 efter, at videnskabsmænd havde syntetiseret bor og arsen. Denne tidlige eksperimentering lå dormant i mange årtier, indtil 2000’erne. Det var på det tidspunkt, at fremskridt i computermodellering og materialevidenskab pludselig gjorde det muligt at se, hvordan BAs kunne fungere som en potentiel varmeleder.

Det var ikke før 2013, da David Broido, en fysiker fra Boston College, gjorde en markant prædiktionsændring, hvor han beskrev en scenario, hvor BAs overgik diamantens termiske lednings-evne. Han brugte beregninger til at vise, at materialet var i stand til at opnå termisk lednings-evne på 2200 W/m·K ved rumtemperatur ved hjælp af en tre-phonon spredningstilgang.

I 2015 tog Houston University Professor Zhifeng Ren konceptet videre, da han og hans hold dyrkede BAs-kristaller i deres laboratorium og testede dem. Han udførte flere eksperimenter, hvor han opnåede en enkelt krystals termisk lednings-evne på 1500 W/m·K ved rumtemperatur.

Denne vurdering placerede BAs på en andenplads efter diamanter i termisk lednings-evne. Det inspirerede også til yderligere forskning i materialet og måder at opnå den optimale termiske lednings-evne på 2200 W/m·K ved rumtemperatur, som Broido havde forudsagt årtier tidligere.

Udfordringer i at opnå højrenhed BAs

Arbejdet er blevet udført på BAs som termisk leder, siden den tid. Men ændringer i phonon spredningstrategier og andre problemer fik ingeniørerne til at se deres resultater reduceret til omkring 1.300 W/mK. Heldigvis har en ny studie vist, hvad der forårsagede disse begrænsninger og hvordan man kan reducere dem.

Boron Arsenid Studie

Den Termisk lednings-evne af bor arsenid over 2100 W per meter per Kelvin ved rumtemperatur¹ studie offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Materials Today, viser, hvordan ingeniørerne kunne opnå en hidtil uset termisk lednings-evne på 2100 W/m·K i bor arsenid enkeltkristaller ved rumtemperatur.

Hvad var problemet?

Som ingeniørerne bemærkede, var matematikken i orden, men eksperimenterne mødte ikke forventningerne. Det var da, de besluttede at omvurdere de grundlæggende komponenter og strategien for at se, hvor forbedringer kunne gøres. Et vigtigt område, hvor de noterede en tab af lednings-evne, var urenheder.

Source – Materials Today

Bemærkelsesværdigt, i isotrope materialer følger varmeoverføringsevnen krystallografiske baner i materialet. I en optimal indstilling giver disse baner en glat rejse. Men ingeniørerne noterede, at i tidligere eksperimenter havde krystallerne flere fejl, der faktisk hæmmede præstationen. Som sådan satte de sig for at dyrke de reneste BAs muligt.

Hvordan man dyrker BAs uden urenheder

For at opnå dette mål startede de med at genopfinde processen fra bunden. De startede med ultraren arsen. Derefter blev det gennemført i en firetrins syntese, der reducerede urenheder yderligere.

Næste trin var at fuldstændigt rense en kvartztube. Bemærkelsesværdigt brugte ingeniørerne standard semiconductor rensningsprocesser, der involverede flere ultralydrensninger med flere materialer, herunder acetone, ethanol og deioniseret vand. Derefter tørredes det i en ovn, der eliminerede enhver tilbageværende fugt.

Derefter brugte ingeniørerne transmissionslys til at kontrollere termisk lednings-evne og urenheder. De bemærkede straks, at de havde en væsentligt lavere punktfejlkoncentration i de enkelte krystaller sammenlignet med tidligere forsøg.

Hvordan forskerne målte BAs termisk lednings-evne

Videnskabsmændene testede krystallernes termisk lednings-evne ved hjælp af flere meget nøjagtige metoder. Holdet brugte først time-domain thermoreflectance (TDTR) metoden til at registrere termisk lednings-evne. I denne test belagde ingeniørerne krystallerne med en 100-nm Al transducer lag ved hjælp af elektronstråle fordamning for at sikre nøjagtighed.

Derefter brugte gruppen Raman spektroskopi til at opdage eventuelle tilbageværende urenheder i krystallerne. De kombinerede herefter data for at få en nøjagtig oversigt over materialets evner og svagheder. Det, de fandt, ville ændre termodynamikken fremover.

Rekordbrydende termisk lednings-evne resultater

Swipe to scroll →

Holdets test beviste, at BAs var i stand til at opnå diamantniveau termisk lednings-evne. Specifikt registrerede videnskabsmændene 2.100 W/mK ved rumtemperatur. Bemærkelsesværdigt gjorde Raman spektroskopi det muligt for ingeniørerne at observere en T−1.8 afhængighed, der åbnede døren for yderligere forskning og præstationsforbedringer.

Ingeniørerne bemærkede, at en modificeret teoretisk beregning ville gøre det muligt for dem at justere processen til at anvende en tre-phonon spredning for phononer i 4–8 THz området, i stedet for en fire-phonon spredning, der normalt bruges i dag. Ved hjælp af denne tilgang lykkedes holdet med at registrere temperaturafhængighed fra 300 til 400 K.

Boron Arsenid fordele

Dette arbejde bringer mange fordele til markedet. For det første åbner det døren for morgendagens højteknologiske enheder til at blive mere tilgængelige og billigere. Diamanter er dyre og sjældne, mens BAs kan produceres på forespørgsel. Desuden er de lettere at producere og integrere.

Boron Arsenid som halvleder materiale

En uventet opdagelse var, at BAs fungerer som overlegen halvledere. Testene afslørede, at de BAs, der blev skabt, overgik silicium i flere nøglekategorier. Specifikt tilbød de bedre lednings-evne, bærermobilitet, termisk udvidelse og kan understøtte en bredere båndgap.

Inspirer en ny æra i termisk materialevidenskab

Dette arbejde demonstrerer, hvorfor videnskabsmænd skal fortsætte med at udvide grænserne for at eksellere i deres resultater. I årtier har diamanter siddet som de ubestridte konger af termisk lednings-evne. Nu må hele det videnskabelige samfund omvurdere sine teorier, hvilket giver plads til nye fremskridt, der tidligere blev betragtet som umulige.

Boron Arsenid virkelige anvendelser og tidsplan

Der er mange anvendelser for dette arbejde. For det første vil studiet ændre måden, producenter tænker om termisk styring på. Hvis dette materiale kan produceres konsekvent med lavere omkostninger og større tilgængelighed end diamant alternativer, åbner det døren for næste generations varmeledningsmaterialer og elektronik.

Her er få potentielle anvendelser.

Højeffekt elektronik

Forestil dig at have din laptop på skødet hele dagen uden nogen varmeafledning. Integrationen af disse højledende termiske barrierer kunne hjælpe med at drive en ny æra i højteknologisk og bærbar elektronik. Enheder kunne blive hurtigere og kraftigere uden at behøve yderligere kølesystemsupport.

Elektriske køretøjer (EV) og effekt elektronik

EV-markedet kunne se betydelige forbedringer i præstationen på grund af integrationen af BAs som termiske ledere. Disse materialer kunne potentielt gøre det muligt for producenter at gøre deres køretøjer lettere og sikrere. Som sådan kunne de indirekte få mere ud af en enkelt opladning. Desuden kunne denne strategi reducere omkostningerne for EV i fremtiden.

Datacentre

Datacentre vil være blandt de første til at se fordelene ved denne teknologi. Disse kæmpe økosystemer er i høj efterspørgsel takket være AI-markedets rekordudvidelser. Som sådan vil denne teknologi have en direkte indvirkning på AI-sektoren i forhold til dens evner, præstation og omkostninger fremover.

Boron Arsenid tidsplan

Civilisationer kunne se denne type varmebelægning brugt i deres elektronik inden for de næste 7-10 år. Men militær og andre specialiserede højteknologiske anvendelser kan få adgang til disse materialer inden for de næste 5 år eller mindre. Det faktum, at det koster meget mindre at producere og er mere tilgængeligt, skal hjælpe med at reducere integrations tid betydeligt.

Boron Arsenid forskere

Den Termisk lednings-evne af bor arsenid over 2100 W per meter per Kelvin ved rumtemperatur studie var et samarbejde, der kombinerede forskning fra flere prestigefyldte institutioner, herunder University of California, Santa Barbara, Boston College og University of Houston.

Specifikt nævner artiklen Professor Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido og Ying Peng som bidragydere til arbejdet.

Fremtidige forskningsretninger for BAs materialer

Givet de år af arbejde, det tog at opnå dette monumentale gennembrud, er det forventet, at holdet vil fortsætte på sin rejse for at forbedre BAs termisk lednings-evne. I fremtiden vil de også se på brugen af andre materialer, der måske kan give sammenlignelige eller bedre resultater.

Investering i grafitefremstilling

Der er mange virksomheder, der producerer termisk ledende belægninger. Disse virksomheder er afgørende for i dagens højteknologiske, transport og industrielle sektorer. Her er en virksomhed, der har været afgørende på markedet på grund af deres pionerindsats og produkter.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI )lanceredes i 2019. Denne malaysiske grafiteproducent leverer anodemateriale og andre afgørende materialer til i dagens EV-marked, elektronik og kommunikationssystemer.

Virksomheden har været en pioner på markedet af flere årsager og har strategiske partnerskaber med MIT, University of Manchester og mange andre, der søger at udvide deres unikke bæredygtige tilgang.

Graphjet Technology adskiller sig fra sine konkurrenter på flere måder. For det første er virksomheden alt om bæredygtighed. Det er den første producent i verden, der har skabt en industriel proces, der omdanner landbrugsaffald i form af genbrugte palmekerner til batterikvalitetsgrafit.

Virksomhedens malaysiske facilitet leverer højrenhed kunstig grafite, enkeltlags grafen og andre afgørende materialer. Imponerende kan faciliteten omdanne 9.000 metriske tons affald til 3.000 metriske tons grafite årligt. Desuden udleder den kun 2,95 kg CO2 per kg grafite, hvilket gør den 83% renere end alternativer.

Alle disse faktorer fortsætter med at drive investeringsfokus mod Graphjet Technologies. De, der søger en innovativ og bæredygtig produktion af aktier, skal gøre mere forskning i Graphjet aktier.