Το Αργίλιο Αρσενικό Μόλις Ξεπέρασε το Διαμάντι στη Μεταφορά Θερμότητας

Ένα διεθνές ομάδα επιστημόνων υπό την ηγεσία μηχανικών του Πανεπιστημίου του Χιούστον απέδειξε πρόσφατα ότι μια μακρά θεωρία για τη θερμική αγωγιμότητα ήταν λανθασμένη. Η εργασία τους έσυρε τα όρια της επιστήμης των υλικών πιο μακριά και θα μπορούσε να εμπνεύσει αρκετές συναφείς καινοτομίες τους επόμενους μήνες. Ως εκ τούτου, θεωρείται σημαντικό ορόσημο στην επιστημονική κοινότητα. Να τι πρέπει να γνωρίζετε.

Γιατί η Θερμική Αγωγιμότητα Σημαίνει στα Σύγχρονα Ηλεκτρονικά

Για να κατανοήσουμε τη σημασία αυτής της ανακάλυψης, είναι απαραίτητο να καταλάβουμε τον κρίσιμο ρόλο που παίζει η επίστρωση θερμικού φραγμού στην τεχνολογία του σήμερα. Αυτές οι επικαλύψεις, συνήθως εφαρμόζονται σε μεταλλικά εξαρτήματα, βοηθούν στη μείωση της έκθεσης σε θερμότητα των κρίσιμων εξαρτημάτων.

Το φράγμα θερμικής αγωγιμότητας που δημιουργούν συμβάλλει στην ανθεκτικότητα των σημερινών κινητήρων, στην ταχύτητα των υπολογιστών και αποτελεί σημαντικό μέρος πολλών βιομηχανικών τομέων. Γι’ αυτό υπάρχει συνεχής έρευνα για τη βελτίωση αυτών των επιφανειών. Παρόλο που έχουν σημειωθεί πολλές προόδους σε συνθετικά υλικά, κανένα δεν μπορεί να ανταγωνιστεί τη φύση.

Διαμάντια

Για δεκαετίες, τα διαμάντια θεωρούνταν το καλύτερο ισοτροπικό υλικό για τη μεταφορά θερμότητας. Τα ισοτροπικά υλικά είναι μοναδικά επειδή προσφέρουν ομοιόμορφη κατανομή θερμότητας σε όλες τις κρυσταλλογραφικές κατευθύνσεις. Συγκεκριμένα, διαπρέπουν στη μεταφορά θερμότητας για αρκετούς βασικούς λόγους, όπως οι ισχυροί ομοιοπολικοί δεσμοί άνθρακα-άνθρακα.

Περιορισμοί του Διαμαντιού ως Θερμικού Αγωγέα

Ορισμένα προβλήματα συνοδεύουν τη χρήση διαμαντιού ως θερμικής επίστρωσης, δίνοντας στους ερευνητές κίνητρο να αναζητήσουν άλλα υλικά. Κατ’ αρχάς, είναι πιο ακριβό από άλλα ισοτροπικά υλικά. Επιπλέον, μπορεί να είναι δύσκολο στην επεξεργασία.

Παρά αυτούς τους περιορισμούς, τα διαμάντια εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται όταν η γρήγορη απομάκρυνση θερμότητας είναι κρίσιμη. Ωστόσο, ένας αυξανόμενος αριθμός μηχανικών πιστεύει τώρα ότι είναι δυνατόν να ξεπεραστεί η απόδοση του διαμαντιού με συνθετικά υλικά. Ένα υλικό που έχει κερδίσει αυξανόμενη προσοχή είναι το Αργίλιο Αρσενικό.

Αργίλιο Αρσενικό (BAs)

Το Αργίλιο Αρσενικό (BAs) εμφανίστηκε για πρώτη φορά το 1959, όταν επιστήμονες συνδύασαν επιτυχώς βόριο και αρσενικό. Αυτή η πρώιμη πειραματική προσπάθεια έμεινε αδρανής για δεκαετίες μέχρι τη δεκαετία του 2000. Τότε, οι προόδους στην υπολογιστική μοντελοποίηση και στην επιστήμη των υλικών έκαναν δυνατό το να εξεταστεί πώς το BAs θα μπορούσε να λειτουργήσει ως πιθανός θερμικός αγωγός.

Δεν ήταν μέχρι το 2013, όταν ο φυσικός David Broido από το Boston College, έκανε μια τολμηρή πρόβλεψη, περιγράφοντας ένα σενάριο όπου το BAs θα ξεπέραζε τη θερμική αγωγιμότητα του διαμαντιού. Χρησιμοποίησε υπολογισμούς για να δείξει ότι το υλικό θα μπορούσε να φτάσει σε θερμική αγωγιμότητα 2200 W/m·K σε θερμοκρασία δωματίου, χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση τρι-φώνων διασκορπισμού.

Το 2015, ο καθηγητής Zhifeng Ren του Πανεπιστημίου του Χιούστον προχώρησε περαιτέρω, όταν αυτός και η ομάδα του μεγάλωσαν κρυστάλλους BAs στο εργαστήριό τους και τους έλεγξαν. Πραγματοποίησαν αρκετά πειράματα, όπου πέτυχαν θερμική αγωγιμότητα 1500 W/m·K σε κρύσταλλο μονού τύπου σε θερμοκρασία δωματίου.

Αυτή η αξιολόγηση τοποθέτησε το BAs σε δεύτερη θέση, πολύ κοντά στα διαμάντια, όσον αφορά τη θερμική αγωγιμότητα. Επίσης, ενέπνευσε περαιτέρω έρευνα για το υλικό και για το πώς να επιτευχθεί η βέλτιστη θερμική αγωγιμότητα 2200 W/m·K σε θερμοκρασία δωματίου, όπως είχε προβλέψει ο Broido χρόνια πριν.

Προκλήσεις στην Επίτευξη Υψηλής Καθαρότητας BAs

Από τότε, έχουν διεξαχθεί εργασίες στο BAs ως θερμικό αγωγό. Ωστόσο, αλλαγές στις στρατηγικές διασκορπισμού φωνόνων και άλλα ζητήματα οδήγησαν τους μηχανικούς σε μειωμένα αποτελέσματα περίπου 1300 W/m·K. Ευτυχώς, μια πρόσφατη μελέτη έδειξε τι προκάλεσε αυτούς τους περιορισμούς και πώς να τους μειωθούν.

Μελέτη Αργιλίου Αρσενικού

Η Thermal conductivity of boron arsenide above 2100 W per meter per Kelvin at room temperature¹ μελέτη που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Materials Today, αποκαλύπτει πώς οι μηχανικοί κατάφεραν να αποκτήσουν πρωτοφανή θερμική αγωγιμότητα 2100 W/m·K σε κρυστάλλους μονού τύπου Αργιλίου Αρσενικού σε θερμοκρασία δωματίου.

Ποιο Ήταν το Πρόβλημα;

Καθώς οι μηχανικοί παρατήρησαν, τα μαθηματικά ήταν σωστά, αλλά τα πειράματα δεν ανταποκρίνονταν στις προσδοκίες. Τότε αποφάσισαν να επανεξετάσουν τα βασικά συστατικά και τη στρατηγική για να εντοπίσουν πού μπορούν να γίνουν βελτιώσεις. Ένα βασικό σημείο όπου παρατηρήθηκε απώλεια αγωγιμότητας ήταν οι ακαθαρσίες.

Πηγή – Materials Today

Σημειωτέον, στα ισοτροπικά υλικά, οι δυνατότητες μεταφοράς θερμότητας ακολουθούν τις κρυσταλλογραφικές διαδρομές του υλικού. Σε βέλτιστη κατάσταση, αυτές οι διαδρομές παρέχουν ομαλή ροή. Ωστόσο, οι μηχανικοί παρατήρησαν ότι σε προηγούμενα πειράματα, οι κρύσταλλοι που χρησιμοποιήθηκαν είχαν αρκετές ατέλειες που παρεμπόδισαν την απόδοση. Έτσι, ξεκίνησαν να μεγάλουν το πιο καθαρό BAs δυνατό.

Πώς Να Μεγαλώσετε BAs Χωρίς Ακαθαρσίες

Για να επιτύχουν αυτό, ξεκίνησαν ξανά τη διαδικασία από την αρχή. Ξεκίνησαν με υπερκαθαρό αρσενικό. Από εκεί, ακολούθησαν μια τετραβήματική σύνθεση, η οποία μείωσε περαιτέρω τις ακαθαρσίες.

Το επόμενο βήμα ήταν ο πλήρης καθαρισμός ενός σωλήνα χαλαζία. Σημειωτέον, οι μηχανικοί χρησιμοποίησαν τυπικές διαδικασίες καθαρισμού ημιαγωγών, περιλαμβάνοντας πολλαπλούς υπερηχητικούς καθαρισμούς με ακετόνη, αιθανόλη και αποσμημένο νερό. Στη συνέχεια, το στέγνωσαν σε φούρνο, εξαλείφοντας τυχόν υγρασία.

Από εκεί, οι μηχανικοί χρησιμοποίησαν φώτα μετάδοσης για να ελέγξουν τη θερμική αγωγιμότητα και τις ακαθαρσίες. Παρατήρησαν αμέσως ότι η συγκέντρωση ελαττωματικών σημείων στα κρύσταλλα ήταν σημαντικά χαμηλότερη σε σύγκριση με προηγούμενες προσπάθειες.

Πώς Οι Ερευνητές Μέτρησαν τη Θερμική Αγωγιμότητα του BAs

Οι επιστήμονες έλεγξαν τη θερμική αγωγιμότητα των κρυστάλλων χρησιμοποιώντας αρκετές πολύ ακριβείς μεθόδους. Η ομάδα χρησιμοποίησε αρχικά τη μέθοδο time-domain thermoreflectance (TDTR) για την καταγραφή της θερμικής αγωγιμότητας. Σε αυτό το τεστ, οι μηχανικοί επικάλυψαν τους κρυστάλλους με στρώση 100 nm Al μετατροπέα μέσω εξάτμισης ηλεκτρονικής δέσμης για ακρίβεια.

Στη συνέχεια, η ομάδα χρησιμοποίησε φασματοσκοπία Raman για να εντοπίσει τυχόν εναπομείναντες ακαθαρσίες στους κρυστάλλους. Συνδύασαν τα δεδομένα για να αποκτήσουν μια ακριβή εικόνα των δυνατοτήτων και των αδυναμιών του υλικού. Ό,τι βρήκαν θα αλλάξει τη θερμική δυναμική στο μέλλον.

Αποτελέσματα Θερμικής Αγωγιμότητας Ρεκόρ

Swipe to scroll →

Το τεστ της ομάδας απέδειξε ότι το BAs μπορεί να φτάσει σε θερμική αγωγιμότητα επιπέδου διαμαντιού. Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες κατέγραψαν 2100 W/m·K σε θερμοκρασία δωματίου. Σημειωτέον, τα φάσματα Raman επέτρεψαν στους μηχανικούς να παρατηρήσουν εξάρτηση T⁻¹·⁸, ανοίγοντας το δρόμο για περαιτέρω έρευνα και βελτιώσεις απόδοσης.

Οι μηχανικοί παρατήρησαν ότι μια τροποποιημένη θεωρητική προσέγγιση θα τους επέτρεπε να ρυθμίσουν τη διαδικασία ώστε να χρησιμοποιήσουν τρι-φώνων διασκορπισμό για φωνόνια στην περιοχή 4–8 THz, αντί για το συνηθισμένο τετρα-φώνων διασκορπισμό. Με αυτήν την προσέγγιση, η ομάδα κατάφερε να καταγράψει εξάρτηση θερμοκρασίας από 300 έως 400 K.

Οφέλη του Αργιλίου Αρσενικού

Αυτή η εργασία φέρνει πολλά οφέλη στην αγορά. Κατ’ αρχάς, ανοίγει το δρόμο για τις συσκευές υψηλής τεχνολογίας του μέλλοντος να γίνουν πιο προσιτές και οικονομικές. Τα διαμάντια είναι ακριβά και σπάνια, ενώ το BAs μπορεί να παραχθεί κατ’ απαίτηση. Επιπλέον, είναι πιο εύκολο στην παραγωγή και την ενσωμάτωση.

Αργίλιο Αρσενικό ως Υλικό Ημιαγωγού

Μια απρόσμενη ανακάλυψη ήταν ότι το BAs λειτουργεί ως ανώτερος ημιαγωγός. Τα τεστ έδειξαν ότι το BAs που δημιούργησαν υπερέβη το πυρίτιο σε αρκετές βασικές κατηγορίες. Συγκεκριμένα, προσφέρει καλύτερη αγωγιμότητα, κινητικότητα φορέων, θερμική διαστολή και μπορεί να υποστηρίξει ευρύτερο ενεργειακό κενό.

Εμπνέει μια Νέα Εποχή στην Επιστήμη Θερμικών Υλικών

Αυτή η εργασία δείχνει γιατί οι επιστήμονες πρέπει συνεχώς να ωθούν τα όρια για να πετύχουν εξαιρετικά αποτελέσματα. Για δεκαετίες, τα διαμάντια ήταν οι αδιαμφισβήτητοι βασιλείς της θερμικής αγωγιμότητας. Τώρα, η ολόκληρη επιστημονική κοινότητα πρέπει να επανεξετάσει τις θεωρίες της, ανοίγοντας χώρο για νέες προόδους που θεωρούνταν αδύνατες.

Πραγματικές Εφαρμογές του Αργιλίου Αρσενικού και Χρονοδιάγραμμα

Υπάρχουν πολλές εφαρμογές για αυτήν την εργασία. Κατ’ αρχάς, η μελέτη θα αλλάξει τον τρόπο που οι κατασκευαστές σκέφτονται τη διαχείριση θερμότητας. Εάν αυτό το υλικό μπορεί να συντίθεται σταθερά με χαμηλότερο κόστος και μεγαλύτερη διαθεσιμότητα από τις εναλλακτικές του διαμαντιού, ανοίγει το δρόμο για υλικά διαχείρισης θερμότητας και ηλεκτρονικά επόμενης γενιάς. Ακολουθούν μερικές πιθανές εφαρμογές.

Ηλεκτρονικά Υψηλής Ισχύος

Φανταστείτε να έχετε το laptop σας στο γόνατο όλη μέρα χωρίς καμία διάχυση θερμότητας. Η ενσωμάτωση αυτών των εξαιρετικά αγώγιμων θερμικών φραγμών θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια νέα εποχή σε υψηλής τεχνολογίας και φορητά ηλεκτρονικά. Οι συσκευές θα γίνουν πιο γρήγορες και πιο ισχυρές χωρίς την ανάγκη πρόσθετων συστημάτων ψύξης.

Ηλεκτρικά Οχήματα (EV) και Ηλεκτρονικά Ισχύος

Η αγορά των EV θα μπορούσε να δει σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση λόγω της ενσωμάτωσης του BAs ως θερμικών αγωγών. Αυτά τα υλικά θα μπορούσαν ενδεχομένως να επιτρέψουν στους κατασκευαστές να κάνουν τα οχήματά τους ελαφρύτερα και ασφαλέστερα. Ως εκ τούτου, θα μπορούσαν έμμεσα να αυξήσουν την αυτονομία από μία μόνο φόρτιση. Επιπλέον, αυτή η στρατηγική θα μπορούσε να μειώσει το κόστος των EV στο μέλλον.

Κέντρα Δεδομένων

Τα κέντρα δεδομένων θα είναι από τους πρώτους που θα δουν τα οφέλη αυτής της τεχνολογίας. Αυτά τα τεράστια οικοσυστήματα είναι σε υψηλή ζήτηση λόγω της έκρηξης του AI που φθάνει σε ρεκόρ. Συνεπώς, αυτή η τεχνολογία θα έχει άμεση επίδραση στον τομέα του AI όσον αφορά τις δυνατότητες, την απόδοση και το λειτουργικό κόστος.

Χρονοδιάγραμμα Αργιλίου Αρσενικού

Οι πολίτες θα μπορούσαν να δουν αυτό το είδος θερμικής επίστρωσης στα ηλεκτρονικά τους μέσα στα επόμενα 7‑10 χρόνια. Ωστόσο, ο στρατός και άλλες εξειδικευμένες υψηλής τεχνολογίας χρήσεις μπορεί να αποκτήσουν πρόσβαση σε αυτά τα υλικά μέσα σε 5 χρόνια ή λιγότερο. Το γεγονός ότι το κόστος παραγωγής είναι πολύ χαμηλότερο και η διαθεσιμότητα μεγαλύτερη θα βοηθήσει στη σημαντική μείωση του χρόνου ενσωμάτωσης.

Ερευνητές Αργιλίου Αρσενικού

Η Thermal conductivity of boron arsenide above 2100 W per meter per Kelvin at room temperature μελέτη ήταν μια συνεργατική προσπάθεια που συνδύασε έρευνα από αρκετά διακεκριμένα ιδρύματα, όπως το University of California, Santa Barbara, το Boston College και το University of Houston.

Συγκεκριμένα, το άρθρο αναφέρει ως συνεισφέροντες τον καθηγητή Zhifeng Ren, τον Bolin Liao, την Ange Benise Niyikiza, τον Zeyu Xiang, τον Fanghao Zhang, τον Fengjiao Pan, τον Chunhua Li, τον Matthew Delmont, τον David Broido και την Ying Peng.

Μελλοντικές Κατευθύνσεις Έρευνας για Υλικά BAs

Δεδομένου του χρόνου που απαιτήθηκε για την επίτευξη αυτού του ορόσημου, αναμένεται η ομάδα να συνεχίσει την πορεία της για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας του BAs. Στο μέλλον, θα εξετάσουν επίσης τη χρήση άλλων υλικών που θα μπορούσαν να προσφέρουν συγκρίσιμα ή καλύτερα αποτελέσματα.

Επένδυση στην Παραγωγή Γραφίτη

Υπάρχουν πολλές εταιρείες που παράγουν θερμικά αγώγιμες επικαλύψεις. Αυτές οι εταιρείες είναι κρίσιμες για τους σημερινούς τομείς υψηλής τεχνολογίας, μεταφορών και βιομηχανίας. Εδώ είναι μια εταιρεία που έχει παίξει καθοριστικό ρόλο στην αγορά λόγω των πρωτοποριακών προσπαθειών και προϊόντων της.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI ) ξεκίνησε το 2019. Αυτός ο κατασκευαστής γραφίτη από τη Μαλαισία παρέχει υλικό άνοδος και άλλα κρίσιμα υλικά στην τρέχουσα αγορά EV, στα ηλεκτρονικά και στα συστήματα επικοινωνίας.

Η εταιρεία είναι πρωτοπόρος στην αγορά για πολλούς λόγους και έχει στρατηγικές συνεργασίες με το MIT, το University of Manchester και πολλούς άλλους που επιδιώκουν να επεκτείνουν την μοναδική, βιώσιμη προσέγγισή της.

Η Graphjet Technology διαφέρει από τους ανταγωνιστές της με πολλούς τρόπους. Κατ’ αρχάς, η εταιρεία εστιάζει στην βιωσιμότητα. Είναι ο πρώτος κατασκευαστής παγκοσμίως που δημιούργησε μια βιομηχανική διαδικασία κλίμακας που μετατρέπει αγροτικά απόβλητα, υπό μορφή ανακυκλωμένων κέλυφων φλοιού φοινικιάς, σε γραφίτη κατάλληλο για μπαταρίες.

Η εγκατάσταση της εταιρείας στη Μαλαισία παραδίδει υψηλής καθαρότητας τεχνητό γραφίτη, μονοεπίπεδο γραφένιο και άλλα απαραίτητα υλικά. Εντυπωσιακά, η εγκατάσταση μπορεί να μετατρέψει 9 000 μετρικές τόνους αποβλήτων σε 3 000 μετρικές τόνους γραφίτη ετησίως. Επιπλέον, εκπέμπει μόνο 2,95 kg CO₂ ανά kg γραφίτη, καθιστώντας το 83 % πιο καθαρό από τις εναλλακτικές.

Όλοι αυτοί οι παράγοντες συνεχίζουν να προσελκύουν την προσοχή των επενδυτών προς τις Graphjet Technologies. Όσοι αναζητούν μια καινοτόμο και βιώσιμη μετοχή κατασκευής θα πρέπει να ερευνήσουν περαιτέρω τις μετοχές Graphjet.