Το Βορικό Αρσενίδιο Ξεπέρασε το Διαμάντι στη Μεταφορά Θερμότητας

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής μηχανικούς από το Πανεπιστήμιο του Χιούστον just απέδειξε ότι μια μακροχρόνια θεωρία θερμικής αγωγιμότητας είναι λανθασμένη. Το έργο τους επέκτεινε τα όρια της επιστήμης των υλικών και μπορεί να εμπνεύσει πολλές αντίστοιχες καινοτομίες τους επόμενους μήνες. Ως takový, θεωρείται ένα σημαντικό ορόσημο στην επιστημονική κοινότητα. Εδώ είναι ό,τι πρέπει να γνωρίζετε.

Γιατί η Θερμική Αγωγιμότητα έχει Σημασία στις Σύγχρονες Ηλεκτρονικές

Για να κατανοήσετε τη σημασία αυτής της καινοτομίας, είναι ζωτικό να κατανοήσετε τον κρίσιμο ρόλο που παίζει η θερμική αγωγιμότητα στις σημερινές τεχνολογίες. Αυτές οι επικαλύψεις, που συνήθως εφαρμόζονται σε μεταλλικές συνιστώσες, βοηθούν στη μείωση της θερμικής έκθεσης σε κρίσιμες συνιστώσες.

Η θερμική αγωγιμότητα που δημιουργούν βοηθά να κάνουν τις σημερινές μηχανές πιο ανθεκτικές, τους υπολογιστές ταχύτερους και είναι ένα σημαντικό μέρος πολλών βιομηχανικών τομέων. Ως takový, υπάρχει συνεχής έρευνα για τη βελτίωση αυτών των επιφανειών. Ενώ έχουν υπάρξει πολλές προόδους στα συνθετικά υλικά, κανένα δεν μπόρεσε ποτέ να ανταγωνιστεί τη φύση.

Διαμάντια

Για πολλές δεκαετίες, τα διαμάντια θεωρούνταν το καλύτερο ισοτροπικό υλικό για τη μεταφορά θερμότητας. Τα ισοτροπικά υλικά είναι μοναδικά στο ότι προσφέρουν ομοιόμορφη κατανομή θερμότητας σε όλες τις κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις. Προσέξτε, ότι ξεχωρίζουν στη μεταφορά θερμότητας για几个 κρίσιμους λόγους, συμπεριλαμβανομένων των στενών ομοιοπολικών δεσμών άνθρακα-άνθρακα.

Περιορισμοί του Διαμαντιού ως Θερμικού Αγωγού

Ορισμένα προβλήματα συνοδεύουν τη χρήση θερμικών επικαλύψεων διαμαντιού που συνεχίζουν να δίνουν στους ερευνητές λόγο να συνεχίσουν την αναζήτησή τους για άλλα υλικά. Για ένα, είναι πιο ακριβά από άλλα ισοτροπικά υλικά. Επίσης, μπορεί να είναι δύσκολο να εργαστούν με αυτά.

Παρά αυτούς τους περιορισμούς, τα διαμάντια χρησιμοποιούνται ακόμη όταν η ταχεία απομάκρυνση θερμότητας είναι αποστολή-κρίσιμη. Ωστόσο, ένας αυξανόμενος αριθμός μηχανικών πιστεύει ότι είναι δυνατό να υπερβεί η απόδοση του διαμαντιού χρησιμοποιώντας συνθετικά υλικά. Ένα υλικό που έχει δει αυξανόμενη προσοχή είναι το Βορικό Αρσενίδιο.

Βορικό Αρσενίδιο (BAs)

Το Βορικό Αρσενίδιο (BAs) εμφανίστηκε για πρώτη φορά το 1959 μετά την επιτυχή σύνθεση του βορίου και του αρσενικού. Αυτή η πρώιμη πειραματική έρευνα παρέμεινε αδρανής για πολλές δεκαετίες μέχρι τη δεκαετία του 2000. Ήταν τότε που οι προόδους στην υπολογιστική μοντελοποίηση και την επιστήμη των υλικών έκαναν δυνατή τη θέαση του πώς το BAs θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως πιθανός θερμικός αγωγός.

Δεν ήταν μέχρι το 2013, όταν ο David Broido, ένας φυσικός του Boston College, έκανε μια δραματική πρόβλεψη με την οποία περιέγραψε ένα σενάριο στο οποίο το BAs υπερέβη την θερμική αγωγιμότητα του διαμαντιού. Χρησιμοποίησε υπολογισμούς για να δείξει ότι το υλικό ήταν ικανό να επιτύχει θερμική αγωγιμότητα 2200 W/m·K σε θερμοκρασία δωματίου χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση τριών φωνονίων.

Προκλήσεις στην Επίτευξη Υψηλής Καθαρότητας BAs

Έχει γίνει εργασία στο BAs ως θερμικός αγωγός από τότε. Ωστόσο, αλλαγές στις στρατηγικές σκέδασης φωνονίων και άλλα ζητήματα οδήγησαν τους μηχανικούς να δουν τα αποτελέσματά τους να μειώνονται σε περίπου 1,300 W/mK. Ευτυχώς, μια πρόσφατη μελέτη έχει δείξει τι προκάλεσε αυτούς τους περιορισμούς και πώς να τους μειώσει.

Μελέτη Βορικού Αρσενιδιού

Η μελέτη Θερμική αγωγιμότητα του βορικού αρσενιδιού πάνω από 2100 W ανά μέτρο ανά Kelvin σε θερμοκρασία δωματίου¹ που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Materials Today, αποκαλύπτει πώς οι μηχανικοί μπόρεσαν να επιτύχουν απρόσμενο θερμική αγωγιμότητα 2100 W/m·K σε μονοκρυσταλλικά δείγματα βορικού αρσενιδιού σε θερμοκρασία δωματίου.

Τι Ήταν το Πρόβλημα;

Όπως σημείωσαν οι μηχανικοί, τα μαθηματικά ήταν σωστά, αλλά τα πειράματα δεν συμμορφώνονταν με τις προσδοκίες. Τότε αποφάσισαν να ξαναεξετάσουν τα βασικά συστατικά και τη στρατηγική για να δουν πού θα μπορούσαν να γίνουν βελτιώσεις. Ένα κρίσιμο σημείο όπου σημείωσαν απώλεια αγωγιμότητας ήταν οι ακαθαρσίες.

Source – Materials Today

Σημαντικά, στα ισοτροπικά υλικά, οι ικανότητες μεταφοράς θερμότητας ακολουθούν τις κρυσταλλογραφικές διαδρομές του υλικού. Σε ένα ιδανικό περιβάλλον, αυτές οι διαδρομές παρέχουν ομαλή μεταφορά. Ωστόσο, οι μηχανικοί σημείωσαν ότι στις προηγούμενες πειραματικές δοκιμές, τα κρυσταλλικά δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν πολλές ατέλειες που στην πραγματικότητα εμπόδιζαν την απόδοση. Ως εκ τούτου, ξεκίνησαν να καλλιεργούν τα πιο καθαρά BAs δυνατά.

Πώς να Καλλιεργήσετε BAs Χωρίς Ακαθαρσίες

Για να επιτύχουν αυτό το έργο, ξεκίνησαν να ξανασκέφτονται τη διαδικασία από την αρχή. Ξεκίνησαν με υπερκαθαρό αρσενικό. Από εκεί, το υλικό υποβεβλημένο σε μια τετραβάθμια σύνθεση, η οποία μειώνει τις ακαθαρσίες περαιτέρω.

Το επόμενο βήμα ήταν να καθαρίσουν πλήρως ένα σωλήνα από кварτζ. Σημαντικά, οι μηχανικοί χρησιμοποίησαν τυπικές διαδικασίες καθαρισμού ημιαγωγών που περιλαμβάνουν πολλαπλά υπερηχητικά καθαρίσματα με διάφορα υλικά, συμπεριλαμβανομένων ακετόνης, αιθανόλης και αποιονισμένου νερού. Στη συνέχεια, το σωλήνας ξεράθηκε σε ένα φούρνο, εξαλείφοντας οποιαδήποτε υπολειμματική υγρασία.

Από εκεί, οι μηχανικοί χρησιμοποίησαν φως μετάδοσης για να ελέγξουν τη θερμική αγωγιμότητα και τις ακαθαρσίες. Αμέσως σημείωσαν ότι είχαν μια σημαντικά χαμηλότερη συγκέντρωση σημείου ατελειών στα ατομικά κρυσταλλικά δείγματα σε σύγκριση με τις προηγούμενες προσπάθειες.

Πώς οι Ερευνητές Μέτρησαν τη Θερμική Αγωγιμότητα του BAs

Οι επιστήμονες έτρεξαν τις κρυσταλλικές δομές για τη θερμική αγωγιμότητα χρησιμοποιώντας πολλές ακριβείς μεθόδους. Η ομάδα χρησιμοποίησε πρώτα τη μέθοδο TDTR για να καταγράψει τη θερμική αγωγιμότητα. Σε αυτό το τεστ, οι μηχανικοί επικάλυψαν τα κρυσταλλικά δείγματα με ένα 100-nm Al μετατροπέα στρώμα χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική δέσμη εξάτμισης για να διασφαλίσουν την ακρίβεια.

Από εκεί, η ομάδα χρησιμοποίησε φασματοσκοπία Raman για να ανακαλύψουν οποιαδήποτε υπολειμματική ακαθαρσία στα κρυσταλλικά δείγματα. Στη συνέχεια, συνδύασαν τα δεδομένα για να αποκτήσουν μια ακριβή επισκόπηση των ικανοτήτων και των ελαττωμάτων του υλικού. Τι βρήκαν θα άλλαζε τη θερμική δυναμική προς τα εμπρός.

Αποτέλεσμα Θερμικής Αγωγιμότητας Ρεκόρ

Swipe to scroll →

Η δοκιμή της ομάδας απέδειξε ότι το BAs ήταν ικανό να επιτύχει θερμική αγωγιμότητα στο επίπεδο του διαμαντιού. Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες κατέγραψαν 2,100 W/mK σε θερμοκρασία δωματίου. Σημαντικά, το φάσμα Raman επέτρεψε στους μηχανικούς να παρατηρήσουν μια εξάρτηση T−1.8, ανοίγοντας την πόρτα για περαιτέρω έρευνα και βελτιώσεις της απόδοσης.

Οι μηχανικοί σημείωσαν ότι μια τροποποιημένη θεωρητική υπολογισμός θα τους επέτρεπε να ρυθμίσουν τη διαδικασία για να χρησιμοποιήσουν μια σκέδαση τριών φωνονίων για φωνόνια στο εύρος 4–8 THz, αντί για μια σκέδαση τεσσάρων φωνονίων που χρησιμοποιείται συνήθως σήμερα. Χρησιμοποιώντας αυτήν την προσέγγιση, η ομάδα κατόρθωσε να καταγράψει την εξάρτηση θερμοκρασίας από 300 έως 400 K.

Ωφέλεια του Βορικού Αρσενιδιού

Αυτό το έργο φέρνει πολλά οφέλη στην αγορά. Για ένα, ανοίγει την πόρτα για τις συσκευές της αύριον να γίνουν πολύ πιο προσιτές και προσιτές. Τα διαμάντια είναι ακριβά και σπάνια, ενώ το BAs μπορεί να παραχθεί κατόπιν ζήτησης. Επιπλέον, είναι πιο εύκολο να κατασκευαστούν και να ενσωματωθούν.

Βορικό Αρσενίδιο ως Υλικό Ημιαγωγών

Μια απρόσμενη ανακάλυψη ήταν ότι το BAs ενεργεί ως υπεροχή ημιαγωγός. Οι δοκιμές αποκάλυψαν ότι το BAs που δημιούργησαν υπερέβη το πυρίτιο σε πολλές κρίσιμες κατηγορίες. Συγκεκριμένα, προσφέρουν καλύτερη αγωγιμότητα, κινητικότητα φορέων, θερμική διαστολή και μπορούν να υποστηρίξουν ένα ευρύτερο χάσμα ζώνης.

Εμπνέει μια Νέα Εποχή στη Θερμική Επιστήμη Υλικών

Αυτό το έργο αποδεικνύει γιατί οι επιστήμονες πρέπει να συνεχίσουν να πιέζουν τα όρια για να ξεχωρίσουν στα αποτελέσματά τους. Για δεκαετίες, τα διαμάντια κάθισαν ως οι αδιαμφισβήτητοι βασιλιάδες της θερμικής αγωγιμότητας. Τώρα, όλη η επιστημονική κοινότητα πρέπει να ξαναεξετάσει τις θεωρίες της, ανοίγοντας χώρο για νέες προόδους που θεωρούνταν προηγουμένως αδύνατες.

Πραγματικές Εφαρμογές και Χρονοδιάγραμμα του Βορικού Αρσενιδιού

Υπάρχουν πολλές εφαρμογές για αυτό το έργο. Για ένα, η μελέτη θα αλλάξει τον τρόπο που οι κατασκευαστές σκέφτονται τη θερμική διαχείριση. Αν αυτό το υλικό μπορεί να συνθεθεί συνεχώς με χαμηλότερο κόστος και μεγαλύτερη διαθεσιμότητα από τις εναλλακτικές λύσεις διαμαντιού, ανοίγει την πόρτα για υλικά διαχείρισης θερμότητας της επόμενης γενιάς και ηλεκτρονικών. Εδώ είναι quelques πιθανές εφαρμογές.

Υψηλής Ισχύος Ηλεκτρονικά

Φανταστείτε να έχειτε τον υπολογιστή σας στα γόνατα σας όλη την ημέρα χωρίς καμία διάχυση θερμότητας. Η ενσωμάτωση αυτών των υψηλά αγωγικών θερμικών barrières θα μπορούσε να βοηθήσει να οδηγήσει μια νέα εποχή στις υψηλές τεχνολογίες και τα φορητά ηλεκτρονικά. Οι συσκευές θα μπορούσαν να γίνουν ταχύτερες και πιο ισχυρές χωρίς να χρειάζονται πρόσθετη υποστήριξη συστήματος ψύξης.

Ηλεκτρικά Οχήματα (EVs) και Ηλεκτρονικά Ισχύος

Η αγορά των ηλεκτρικών οχημάτων θα δει σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση λόγω της ενσωμάτωσης του BAs ως θερμικών αγωγών. Αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να επιτρέψουν στους κατασκευαστές να κάνουν τα οχήματά τους leichter και ασφαλέστερα. Ως εκ τούτου, θα μπορούσαν να間接τικά να πάρουν περισσότερα χιλιόμετρα από μια seule φόρτιση. Επιπλέον, αυτή η στρατηγική θα μπορούσε να μειώσει τα κόστη για τα ηλεκτρικά οχήματα στο μέλλον.

Κέντρα Δεδομένων

Τα κέντρα δεδομένων θα είναι μεταξύ των πρώτων που θα δουν τα οφέλη της τεχνολογίας. Αυτά τα τεράστια οικοσυστήματα είναι σε υψηλή ζήτηση χάρη στην αγορά AI που φτάνει σε ρεκόρ διαστολών. Ως εκ τούτου, αυτή η τεχνολογία θα έχει άμεσο αντίκτυπο στον τομέα της AI σε όρους ικανοτήτων, απόδοσης και επιβάρυνσης στο μέλλον.

Χρονοδιάγραμμα του Βορικού Αρσενιδιού

Οι πολίτες θα μπορούσαν να δουν αυτήν την είδους θερμική επικάλυψη να χρησιμοποιείται στις ηλεκτρονικές τους συσκευές μέσα στα επόμενα 7-10 χρόνια. Ωστόσο, στρατιωτικές και άλλες ειδικές υψηλής τεχνολογίας εφαρμογές μπορεί να αποκτήσουν πρόσβαση σε αυτά τα υλικά μέσα στα επόμενα 5 χρόνια ή λιγότερο. Το γεγονός ότι κοστίζει πολύ λιγότερο να κατασκευαστεί και είναι πιο προσιτό θα πρέπει να βοηθήσει να μειώσει τους χρόνους ενσωμάτωσης σημαντικά.

Ερευνητές του Βορικού Αρσενιδιού

Η μελέτη Θερμική αγωγιμότητα του βορικού αρσενιδιού πάνω από 2100 W ανά μέτρο ανά Kelvin σε θερμοκρασία δωματίου ήταν μια συνεργατική προσπάθεια που συνδύασε έρευνα από πολλά prestigιακά ιδρύματα, συμπεριλαμβανομένου του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, Santa Barbara, του Boston College και του Πανεπιστημίου του Χιούστον.

Συγκεκριμένα, το έγγραφο αναφέρει τον Καθηγητή Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido και Ying Peng ως συντελεστές στο έργο.

Μελλοντικές Κατευθύνσεις Έρευνας για τα Υλικά BAs

Δεδομένης της χρόνιας εργασίας που χρειάστηκε για να επιτευχθεί αυτό το ορόσημο, είναι αναμενόμενο ότι η ομάδα θα συνεχίσει το ταξίδι της για να βελτιώσει τη θερμική αγωγιμότητα του BAs. Στο μέλλον, θα εξετάσουν επίσης τη χρήση άλλων υλικών που μπορεί να παρέχουν συγκρίσιμα ή καλύτερα αποτελέσματα.

Επένδυση στη Βιομηχανία Γραφίτη

Υπάρχουν πολλές εταιρείες που παράγουν θερμικά αγωγικά επικαλύψεις. Αυτές οι εταιρείες είναι κρίσιμες για τις σημερινές υψηλές τεχνολογίες, μεταφορές και βιομηχανικούς τομείς. Εδώ είναι μια εταιρεία που έχει sido κρίσιμη στην αγορά λόγω των πρωτοποριακών της προσπαθειών και προϊόντων.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI )ξεκίνησε το 2019. Αυτή η مالαισιανή εταιρεία παραγωγής γραφίτη παρέχει υλικό ανόδου και άλλα κρίσιμα υλικά στην αγορά ηλεκτρικών οχημάτων, ηλεκτρονικών και επικοινωνιακών συστημάτων.

Η εταιρεία έχει sido πρωτοπόρος στην αγορά για几个 λόγους και έχει στρατηγικές συνεργασίες με το MIT, το Πανεπιστήμιο του Manchester και πολλά άλλα που αναζητούν να επεκτείνουν την μοναδική βιώσιμη προσέγγισή τους.

Graphjet Technology διαφέρει από τους ανταγωνιστές της σε πολλά σημεία. Για ένα, η εταιρεία είναι όλα για τη βιωσιμότητα. Είναι ο πρώτος κατασκευαστής στον κόσμο που δημιούργησε μια βιομηχανική διαδικασία που μετατρέπει τα απορρίματα της γεωργίας σε ανακυκλωμένα πυρήνες παλμών σε γραφίτη βαθμού μπαταρίας.

Το εργοστάσιο της εταιρείας στη Μαλαισία παράγει υψηλής καθαρότητας τεχνητό γραφίτη, μονοστιβάδες γραφένιο και άλλα κρίσιμα υλικά. Εντυπωσιακά, το εργοστάσιο μπορεί να μετατρέψει 9.000 μετρικούς τόνους απορριμμάτων σε 3.000 μετρικούς τόνους γραφίτη ετησίως. Επιπλέον, εκπέμπει μόνο 2,95 kg CO2 ανά kg γραφίτη, καθιστώντας το 83% καθαρότερο από τις εναλλακτικές λύσεις.

Όλα αυτά τα στοιχεία συνεχίζουν να οδηγούν την προσοχή των επενδυτών προς την Graphjet Technologies. Αυτοί που αναζητούν μια καινοτόμο και βιώσιμη μετοχική εταιρεία πρέπει να κάνουν περισσότερη έρευνα για τις μετοχές της Graphjet.