Bori Arsidi on ylittänyt timantin lämmönjohtavuudessa

Kansainvälinen tutkijaryhmä, jota johtavat Houstonin yliopiston insinöörit, on todistanut pitkään pidetyn lämmönjohtavuusteorian virheelliseksi. Heidän työnsä on vienyt materiaalitieteen rajoja eteenpäin ja voi inspiroida useita vastaavia läpimurtoja tulevina kuukausina. Tämän vuoksi se nähdään tieteellisessä yhteisössä merkittävänä merkkipaaluna. Tässä on mitä sinun tarvitsee tietää.

Miksi lämmönjohtavuus on tärkeää modernissa elektroniikassa

Jotta ymmärtäisi tämän läpimurron merkitystä, on tärkeää ymmärtää lämmöneristeen rooli nykytekniikassa. Nämä pinnoitteet, jotka yleensä käytetään metalliosissa, auttavat vähentämään lämpöaltistusta elintärkeille komponenteille.

Lämmöneristeen muodostama lämmönjohtavuuden este tekee nykyisistä moottoreista kestävämmät, tietokoneista nopeammat, ja se on tärkeä osa monissa teollisuudenaloissa. Tämän vuoksi lämmönjohtavuuden parantamiseen tehdään jatkuvasti tutkimusta. Vaikka on tehty monia edistysaskeleita synteettisissä materiaaleissa, mikään ei ole pystynyt kilpailemaan luonnon kanssa.

Timantit

Usean vuosikymmenen ajan timantit on pidetty parhaana isotrooppisena materiaalina lämmönjohtavuudelle. Isotrooppiset materiaalit ovat ainutlaatuisia, koska ne tarjoavat yhdenmukaisen lämmönjakautumisen kaikkiin kristallografisiin suuntiin. Tärkeästi, ne menestyvät lämmönjohtavuudessa useista avainsyistä, mukaan lukien niiden tiiviit kovalenttiset hiili-hiili -sidokset.

Timantin rajoitukset lämmönjohtimena

Joitakin ongelmia on liittyvästi timanttilämmöneristeiden käyttöön, jotka antavat tutkijoille syyn jatkaa etsintää muista materiaaleista. Yksi asia on, että ne ovat kalliimpia kuin muut isotrooppiset materiaalit. Lisäksi ne voivat olla hankalia työstettäväksi.

Vaikka nämä rajoitukset ovat olemassa, timantteja käytetään edelleen silloin, kun nopea lämmönpoisto on kriittinen. Kuitenkin kasvava määrä insinöörejä uskoo, että on mahdollista ylittää timantin suorituskyky käyttämällä synteettisiä materiaaleja. Yksi materiaali, jota on tutkittu yhä enemmän, on Bori Arsidi.

Bori Arsidi (BAs)

Bori Arsidi (BAs) syntyi ensimmäisen kerran vuonna 1959, kun tutkijat onnistuivat syntetisoimaan boorin ja arsenikin. Tämä varhainen kokeilu oli pysähdyksissä useita vuosikymmeniä, kunnes 2000-luvulla. Silloin tietokoneiden mallinnuksen ja materiaalitieteen edistysaskelit tekivät mahdolliseksi nähdä, miten BAs voisi toimia potentiaalisena lämmönjohtimena.

Se ei ollut ennen vuotta 2013, kun David Broido, Boston Collegen fyysikko, teki dramaattisen ennusteen, jossa hän kuvasi tilanteen, jossa BAs ylittäisi timantin lämmönjohtavuuden. Hän käytti laskelmia osoittamaan, että materiaali oli kykenevä saavuttamaan lämmönjohtavuuden 2200 W/m·K huoneenlämmössä käyttämällä kolmen fononin sirottamislähestymistapaa.

Vuonna 2015 Houstonin yliopiston professori Zhifeng Ren vei käsitteen eteenpäin, kun hän ja hänen tiiminsä kasvattivat BAs -kiteitä laboratoriossaan ja testasivat niitä. Hän suoritti useita kokeita, joissa hän saavutti yksittäisen kiteen lämmönjohtavuuden 1500 W/m·K huoneenlämmössä.

Tämä arvo asetti BAs:n toiseksi parhaaksi timantin jälkeen lämmönjohtavuuden suhteen. Se myös inspiroi lisätutkimusta materiaaliin ja keinoja saavuttaa optimaalinen lämmönjohtavuus 2200 W/m·K huoneenlämmössä, jota Broido oli ennustanut vuosia aikaisemmin.

Haasteet korkealaatuisten BAs:ien saavuttamisessa

Työtä on tehty BAs:sta lämmönjohtimena siitä lähtien. Kuitenkin muutokset fononin sirottamisstrategioissa ja muissa ongelmista johtivat siihen, että insinöörit näkivät tuloksensa laskeneen noin 1,300 W/mK:een. Onneksi äskettäinen tutkimus on osoittanut, mikä aiheutti nämä rajoitukset ja miten niitä voidaan vähentää.

Bori Arsidi -tutkimus

Lämmönjohtavuus boriarsenidissa yli 2100 W per meteri per Kelvin huoneenlämmössä¹ tutkimus, joka on julkaistu tieteellisessä lehdessä Materials Today, paljastaa, miten insinöörit pystyivät saavuttamaan ennennäkemättömän lämmönjohtavuuden 2100 W/m·K boriarsenidin yksittäisissä kiteissä huoneenlämmössä.

Mikä oli ongelma?

Kuten insinöörit totesivat, matematiikka pitäisi paikkansa, mutta kokeet eivät täyttäneet odotuksia. Silloin he päättivät arvioida uudelleen ydinkomponentteja ja strategiaa nähdäkseen, missä parannuksia voidaan tehdä. Yksi avainalue, jossa he huomasivat lämmönjohtavuuden menetyksen, on epäpuhtaudet.

Lähde – Materials Today

Huomattavasti, isotrooppisissa materiaaleissa lämmön siirtymismahdollisuudet seuraavat materiaalin kristallografisia polkuja. Ihanteellisessa tilanteessa nämä polut tarjoavat sileän matkan. Kuitenkin insinöörit huomasivat, että aiemmissa kokeissa käytetyt kiteet olivat epäpuhtauksia, jotka todella haittasivat suorituskykyä. Tämän vuoksi he lähtivät kehittämään mahdollisimman puhdas BAs.

Miten kasvattaa BAs:ia ilman epäpuhtauksia

Toteuttaakseen tämän tehtävän, he alkoivat uudelleenmuodostaa prosessia alusta alkaen. He alkoivat ultrapuhtaalla arsenikilla. Siitä se kävi läpi nelivaiheisen synteesin, joka vähensi epäpuhtauksia edelleen.

Seuraava askel oli puhdistaa täysin kvartsiputki. Huomattavasti, insinöörit käyttivät standardia puolijohdemateriaalin puhdistusprosessia, joka käsitti useita ultrasonic -puhdistuksia useilla materiaaleilla, mukaan lukien asetoni, etanoli ja deionisoitu vesi. Sitten se kuivattiin uunissa, poistaen kaiken ylimääräisen kosteuden.

Siitä insinöörit käyttivät lähetysvaloja lämmönjohtavuuden ja epäpuhtauksien tarkastamiseen. He huomasivat välittömästi, että heillä oli olennaisesti vähemmän piste-epäpuhtauksia yksittäisissä kiteissä verrattuna aiempiin yrityksiin.

Miten tutkijat mitasivat BAs:in lämmönjohtavuuden

Tutkijat testasivat kiteiden lämmönjohtavuutta käyttämällä useita erittäin tarkkoja menetelmiä. Tiimi käytti ensin aikariippuvaa termoreflektanssimenetelmää (TDTR) rekisteröidäkseen lämmönjohtavuuden. Tässä testissä insinöörit pinnoittivat kiteet 100 nm:n Al- transduktori kerroksella käyttämällä elektronisuihkuun purkautumista varmistamaan tarkkuuden.

Siitä ryhmä käytti Raman -spektroskopiaa löytääkseen jäljellä olevat epäpuhtaudet kiteissä. Sitten he yhdistivät tiedot saadakseen tarkan katsauksen materiaalin kyvyistä ja heikkouksista. Mitä he löysivät, muuttaisi lämmöndynamiikkaa tulevaisuudessa.

Ennätykselliset lämmönjohtavuustulokset

Swipe to scroll →

Tiimin testi osoitti, että BAs oli kykenevä saavuttamaan timantin lämmönjohtavuuden. Nimenomaan tutkijat rekisteröivät 2,100 W/mK huoneenlämmössä. Huomattavasti, Raman -spektroskopia mahdollisti insinöörien havaita T−1.8 -riippuvuuden, avaamalla oven edelleen tutkimukselle ja suorituskyvyn parantamiselle.

Insinöörit huomasivat, että muokattu teoreettinen laskelma mahdollistaisi heidän säätää prosessia käyttämällä kolmen fononin sirottamista fononeille 4–8 THz -alueella, sen sijaan, että yleisesti käytetty neljän fononin sirottaminen. Käyttämällä tätä lähestymistapaa, tiimi onnistui rekisteröimään lämpötilariippuvuuden 300:sta 400:aan K.

Bori Arsidi -hyödyt

Tämä työ tuo monia hyötyjä markkinoille. Yksi asia on, että se avaa oven huomisen korkeateknologisille laitteille, jotka tulevat olemaan paljon helpommin saatavilla ja edullisemmat. Timantit ovat kalliita ja harvinaisia, kun taas BAs:ia voidaan valmistaa tarpeen mukaan. Lisäksi ne ovat helpompia valmistaa ja integroida.

Bori Arsidi puolijohdemateriaalina

Yksi odottamaton löytö oli, että BAs toimii erinomaisena puolijohdemateriaalina. Testit osoittivat, että BAs ylittivät piilin useissa avainkategorioissa. Nimenomaan ne tarjoavat paremman johtavuuden, kannettavuuden, lämpölaajenemisen ja voivat tukea laajempaa kaistanaukkoa.

Innoittaa uusi aikakausi lämmönjohtavuuden materiaalitieteessä

Tämä työ osoittaa, miksi tutkijoiden on jatkuvasti pyrittävä rajojen ylittämiseen saavuttaakseen tuloksia. Useiden vuosikymmenien ajan timantit istuivat lämmönjohtavuuden kiistattomina kuninkaallisina. Nyt koko tieteellinen yhteisö on arvioimassa uudelleen teorioitaan, jolloin on tilaa uusille edistysaskelille, jotka aiemmin olivat mahdottomia.

Bori Arsidi -soveltamiset ja aikajana

On monia sovelluksia tälle työlle. Yksi asia on, että tutkimus muuttaa tapaa, jolla valmistajat ajattelevat lämmönhallintaa. Jos tämä materiaali voidaan jatkuvasti syntetisoida alhaisemalla kustannuksella ja saatavuudella kuin timantin vaihtoehtoja, se avaa oven seuraavan sukupolven lämmönjohtavuusmateriaaleille ja elektroniikalle. Tässä on muutamia potentiaalisia sovelluksia.

Korkean tehon elektroniikka

Kuvittele, että sinulla on kannettava tietokone syliisi koko päivän ilman lämmön siirtymistä. Näiden erittäin johtavien lämmön esteiden integrointi voisi auttaa ajamaan uuden aikakauden korkeateknologisissa ja kannettavissa laitteissa. Laitteet voivat tulla nopeammaksi ja tehokkaammaksi ilman tarvetta lisälämmitysjärjestelmille.

Sähköiset ajoneuvot (EV) ja tehoelektroniikka

Sähköisen ajoneuvon markkina voi nähdä merkittäviä parannuksia suorituskyvyssä BAs:in integroinnin myötä lämmönjohtimena. Nämä materiaalit voivat mahdollisesti sallia valmistajien tehdä ajoneuvojaan kevyemmissä ja turvallisemmissa. Tämän vuoksi ne voivat välillisesti saada enemmän kilometriä yhdestä latauksesta. Lisäksi tämä strategia voi vähentää sähköisten ajoneuvojen kustannuksia tulevaisuudessa.

Tietokeskukset

Tietokeskukset ovat yksi ensimmäisistä, jotka näkevät tämän teknologian hyödyt. Nämä massiiviset ekosysteemit ovat suuressa kysynnässä kiitos tekoälymarkkinoiden ennätyksellisen laajenemisen. Tämän vuoksi tämä teknologia vaikuttaa suoraan tekoälysektoriin sen suorituskyvyn, suorituskyvyn ja ylläpidon osalta eteenpäin.

Bori Arsidi -aikajana

Siviilit voivat nähdä tämänkaltaisen lämmöneristeen käytön elektroniikassa seuraavien 7-10 vuoden aikana. Kuitenkin sotilas- ja muut erityiset korkeateknologiset sovellukset voivat saada pääsyn näihin materiaaleihin seuraavien 5 vuoden tai vähemmän aikana. Se, että se on paljon halvempaa valmistaa ja on helpommin saatavilla, pitäisi auttaa vähentämään integroimisaikoja merkittävästi.

Bori Arsidi -tutkijat

Lämmönjohtavuus boriarsenidissa yli 2100 W per meteri per Kelvin huoneenlämmössä tutkimus oli yhteistyöhön perustuva tutkimus, joka yhdisti tutkimusta useista arvostetuista laitoksista, mukaan lukien Kalifornian yliopisto, Santa Barbara, Boston College ja Houstonin yliopisto.

Nimenomaan tutkimus mainitsee professori Zhifeng Renin, Bolin Liao, Ange Benise Niyikizan, Zeyu Xiangin, Fanghao Zhangin, Fengjiao Panin, Chunhua Lin, Matthew Delmontin, David Broidon ja Ying Pengin tutkimuksen avainhenkilöinä.

Tulevat tutkimussuunnat BAs -materiaaleille

Ottaen huomioon vuosien työn, joka vaadittiin tämän merkittävän merkkipaalun saavuttamiseen, on odotettavissa, että tiimi jatkaa matkaa BAs:in lämmönjohtavuuden parantamiseksi. Tulevaisuudessa he myös tutkivat muiden materiaalien käyttöä, jotka voivat tarjota vertailukelpoisia tai parempia tuloksia.

Sijoittaminen grafiittivalmistukseen

On monia yrityksiä, jotka tuottavat lämmönjohtavuuspinnoitteita. Nämä yritykset ovat olennaisia nykyisille korkeateknologisille, liikenteen ja teollisuudenaloille. Tässä on yksi yritys, joka on ollut merkittävä markkinoilla sen uraauurtavien ponnistelujen ja tuotteiden ansiosta.

Graphjet Technology

Graphjet Technology (GTI ) perustettiin vuonna 2019. Tämä Malesian grafiittivalmistaja toimittaa anodimateriaalia ja muita tärkeitä materiaaleja nykyisille sähköisten ajoneuvojen, elektroniikan ja viestintäjärjestelmien markkinoille.

Yritys on ollut uranuurtaja markkinoilla useista syistä ja on strategisia kumppanuuksia MIT:n, Manchesterin yliopiston ja muiden kanssa, jotka etsivät laajentaa ainutlaatuista kestävää lähestymistapaansa.
Graphjet Technology eroaa kilpailijoistaan useilla tavoilla. Yksi asia on, että yritys on kaiken kaikkiaan kestävä. Se on maailman ensimmäinen valmistaja, joka on luonut teollisen mittakaavan prosessin, joka muuttaa maatalousjätteitä uusiokäytetyistä palmuydin kuorista akkukelpoiseksi grafiitiksi.

Yrityksen Malesian tehdas toimittaa korkealaatuista teko grafiittia, yksikerroksista grafeenia ja muita tärkeitä materiaaleja. Vaikuttavasti, tehdas voi muuttaa 9 000 tonnia jätteitä 3 000 tonniin grafiittia vuodessa. Lisäksi se luo vain 2,95 kg CO2 per kg grafiittia, mikä tekee siitä 83 % puhtaamman kuin vaihtoehdot.

Kaikki nämä tekijät jatkavat ohjaamasta sijoittajien huomiota Graphjet Technologies -osakkeisiin. Ne, jotka etsivät innovatiivista ja kestävää valmistusosaketta, tulisi tehdä lisätutkimusta Graphjet -osakkeista.