Boori-arsenaidi juuri ylitti timantin lämmönsiirrossa

Houstonin yliopiston insinöörien johtama kansainvälinen tutkijaryhmä on osoittanut pitkäaikaisen lämmönjohtavuusteorian virheelliseksi. Työ vie materiaalitieteen rajoja eteenpäin ja voi käynnistää useita uusia läpimurtoja lähikuukausina. Siksi sitä pidetään tiedeyhteisössä merkittävänä virstanpylväänä. Tässä tärkeimmät tiedot.

Miksi lämmönjohtavuus on tärkeää nykyajan elektroniikassa

Läpimurron merkityksen ymmärtämiseksi on tunnettava lämpösuojapinnoitteiden keskeinen rooli nykytekniikassa. Tavallisesti metalliosiin levitettävät pinnoitteet vähentävät tärkeiden komponenttien altistumista kuumuudelle.

Niiden muodostama lämpöeste tekee moottoreista kestävämpiä ja tietokoneista nopeampia, ja se on tärkeä monilla teollisuudenaloilla. Siksi näiden pintojen parantamista tutkitaan jatkuvasti. Synteettisissä materiaaleissa on edistytty paljon, mutta yksikään niistä ei ole aiemmin pystynyt kilpailemaan luonnonmateriaalien kanssa.

Timantit

Timantteja on pidetty vuosikymmeniä parhaana isotrooppisena materiaalina lämmön johtamiseen. Isotrooppiset materiaalit jakavat lämmön tasaisesti kaikkiin kristallografisiin suuntiin. Timantti johtaa lämpöä erinomaisesti muun muassa vahvojen kovalenttisten hiili-hiilisidostensa ansiosta.

Timantin rajoitukset lämmönjohtimena

Timanttipohjaisiin lämpöpinnoitteisiin liittyy ongelmia, jotka kannustavat tutkijoita etsimään muita materiaaleja. Timantit ovat muita isotrooppisia materiaaleja kalliimpia, ja niitä voi olla vaikea työstää.

Rajoituksista huolimatta timanttia käytetään edelleen kohteissa, joissa nopea lämmönpoisto on ratkaisevan tärkeää. Yhä useampi insinööri kuitenkin uskoo, että synteettisillä materiaaleilla voidaan ylittää timantin suorituskyky. Yksi kasvavaa kiinnostusta herättänyt materiaali on booriarsenidi.

Booriarsenidi (BAs)

Booriarsenidi (BAs) syntyi ensimmäisen kerran vuonna 1959, kun tutkijat onnistuivat syntetisoimaan booria ja arseenia. Varhaiset kokeet jäivät vuosikymmeniksi taka-alalle aina 2000-luvulle asti. Tietokonemallinnuksen ja materiaalitieteen kehitys osoitti tuolloin, että BAs voisi toimia tehokkaana lämmönjohtimena.

Vuonna 2013 Boston Collegen fyysikko David Broido esitti rohkean ennusteen, jonka mukaan BAs voisi ylittää timantin lämmönjohtavuuden. Hänen laskelmansa osoittivat, että materiaali voisi saavuttaa huoneenlämmössä 2 200 W/m·K:n lämmönjohtavuuden kolmen fononin sirontaa hyödyntämällä.

Houstonin yliopiston professori Zhifeng Ren vei ajatusta pidemmälle vuonna 2015, kun hänen ryhmänsä kasvatti ja testasi BAs-kiteitä laboratoriossa. Kokeissa yksittäisen kiteen lämmönjohtavuudeksi saatiin huoneenlämmössä 1 500 W/m·K.

Tulos nosti BAs:n lämmönjohtavuudessa aivan timantin taakse toiselle sijalle. Se käynnisti myös lisätutkimuksia, joissa pyrittiin saavuttamaan Broidon aiemmin ennustama optimaalinen 2 200 W/m·K:n arvo huoneenlämmössä.

Erittäin puhtaan BAs:n valmistamisen haasteet

BAs:n käyttöä lämmönjohtimena on tutkittu siitä lähtien. Fononien sirontamenetelmien muutokset ja muut ongelmat kuitenkin pudottivat kokeelliset tulokset noin 1 300 W/mK:iin. Tuore tutkimus paljasti näiden rajoitusten syyt ja keinot niiden vähentämiseen.

Booriarseniditutkimus

Materials Today -tiedelehdessä julkaistu tutkimus Booriarsenidin lämmönjohtavuus yli 2 100 W metriä ja kelviniä kohti huoneenlämmössä¹ osoittaa, kuinka insinöörit saavuttivat booriarsenidin yksikiteissä ennennäkemättömän 2 100 W/m·K:n lämmönjohtavuuden huoneenlämmössä.

Mikä ongelmana oli?

Laskelmat pitivät paikkansa, mutta kokeet eivät vastanneet odotuksia. Insinöörit arvioivat siksi keskeiset komponentit ja menetelmän uudelleen löytääkseen parannuskohteita. Yksi tärkeimmistä johtavuushäviöiden syistä oli epäpuhtaudet.

Lähde – Materials Today

Isotrooppisissa materiaaleissa lämpö kulkee materiaalin kristallografisia reittejä pitkin. Ihanteellisessa tilanteessa nämä reitit mahdollistavat esteettömän etenemisen. Aiemmissa kokeissa käytetyissä kiteissä oli kuitenkin suorituskykyä heikentäviä virheitä, joten tutkijat ryhtyivät kasvattamaan mahdollisimman puhdasta BAs:ää.

Kuinka BAs:ää kasvatetaan ilman epäpuhtauksia?

Tavoitteen saavuttamiseksi prosessi suunniteltiin alusta alkaen uudelleen. Lähtöaineena käytettiin erittäin puhdasta arseenia, joka käsiteltiin sen jälkeen nelivaiheisella synteesillä epäpuhtauksien vähentämiseksi entisestään.

Seuraavaksi kvartsiputki puhdistettiin perusteellisesti. Insinöörit käyttivät puolijohdeteollisuuden tavanomaisia puhdistusmenetelmiä, joihin kuului useita ultraäänipesuja asetonilla, etanolilla ja deionisoidulla vedellä. Lopuksi putki kuivattiin uunissa jäljellä olevan kosteuden poistamiseksi.

Tämän jälkeen läpäisevää valoa käytettiin lämmönjohtavuuden ja epäpuhtauksien tutkimiseen. Yksittäisten kiteiden pistevirhetiheys osoittautui heti selvästi aiempia yrityksiä pienemmäksi.

Kuinka tutkijat mittasivat BAs:n lämmönjohtavuutta?

Tutkijat mittasivat kiteiden lämmönjohtavuutta useilla erittäin tarkoilla menetelmillä. Ensin käytettiin aikaerotteista lämpöheijastusmenetelmää (TDTR). Mittaustarkkuuden varmistamiseksi kiteet päällystettiin elektronisuihkuhöyrystyksellä 100 nanometrin alumiinisella muunninkerroksella.

Jäljellä olevia epäpuhtauksia etsittiin Raman-spektroskopialla. Tulokset yhdistämällä ryhmä sai tarkan kokonaiskuvan materiaalin vahvuuksista ja puutteista. Löydös muuttaisi lämpödynamiikan tutkimusta tulevaisuudessa.

Ennätykselliset lämmönjohtavuustulokset

Vieritä pyyhkäisemällä →

Testit osoittivat, että BAs pystyy timantin tasoiseen lämmönjohtavuuteen. Tutkijat mittasivat huoneenlämmössä arvon 2 100 W/mK. Raman-spektrit paljastivat myös T−1,8-riippuvuuden, mikä avaa mahdollisuuksia lisätutkimuksille ja suorituskyvyn parantamiselle.

Insinöörien mukaan muokattu teoreettinen laskelma mahdollistaa prosessin säätämisen niin, että 4–8 THz:n fononeille käytetään nykyisen neljän fononin sironnan sijasta kolmen fononin sirontaa. Menetelmällä ryhmä onnistui mittaamaan lämpötilariippuvuuden alueella 300–400 K.

Booriarsenidin edut

Työ tarjoaa monia hyötyjä. Se voi tehdä tulevaisuuden huipputeknisistä laitteista huomattavasti saavutettavampia ja edullisempia. Timantit ovat kalliita ja harvinaisia, kun taas BAs:ää voidaan valmistaa tarpeen mukaan. Sen valmistaminen ja integroiminen on myös helpompaa.

Booriarsenidi puolijohdemateriaalina

Yllättävä havainto oli, että BAs toimii erinomaisena puolijohteena. Valmistettu materiaali päihitti piin useissa keskeisissä ominaisuuksissa. Se tarjoaa paremman johtavuuden ja varauksenkuljettajien liikkuvuuden, suotuisan lämpölaajenemisen sekä laajemman energiaraon.

Uusi aikakausi lämpömateriaalitieteessä

Työ osoittaa, miksi tutkijoiden on jatkuvasti koeteltava tieteen rajoja. Timantti oli vuosikymmeniä lämmönjohtavuuden kiistaton kuningas. Nyt koko tiedeyhteisön on arvioitava teoriansa uudelleen, mikä tekee tilaa aiemmin mahdottomina pidetyille edistysaskelille.

Booriarsenidin käytännön sovellukset ja aikataulu

Työllä on monia sovelluksia. Tutkimus muuttaa valmistajien ajattelua lämmönhallinnasta. Jos materiaalia voidaan valmistaa johdonmukaisesti timanttia edullisemmin ja paremmin saatavana, se avaa tien uuden sukupolven lämmönhallintamateriaaleille ja elektroniikalle. Mahdollisia sovelluksia ovat esimerkiksi seuraavat.

Suurtehoelektroniikka

Kuvittele pitäväsi kannettavaa tietokonetta sylissä koko päivän ilman kuumuuden aiheuttamaa haittaa. Erittäin hyvin johtavat lämpösuojat voivat käynnistää uuden aikakauden huipputekniikassa ja kannettavassa elektroniikassa. Laitteista voisi tulla nopeampia ja tehokkaampia ilman uusia jäähdytysjärjestelmiä.

Sähköajoneuvot ja tehoelektroniikka

BAs:n käyttö lämmönjohtimena voi parantaa sähköajoneuvojen suorituskykyä merkittävästi. Materiaalin avulla ajoneuvoista voidaan tehdä kevyempiä ja turvallisempia, mikä voi välillisesti pidentää toimintamatkaa yhdellä latauksella. Menetelmä voi myös alentaa sähköajoneuvojen kustannuksia tulevaisuudessa.

Datakeskukset

Datakeskukset hyötyvät teknologiasta todennäköisesti ensimmäisten joukossa. Näiden valtavien järjestelmien kysyntä kasvaa tekoälymarkkinoiden ennätyksellisen laajenemisen vuoksi. Ratkaisu vaikuttaa suoraan tekoälyalan kapasiteettiin, suorituskykyyn ja käyttökustannuksiin.

Booriarsenidin aikataulu

Kuluttajat voivat nähdä tällaisia lämpöpinnoitteita elektroniikassaan 7–10 vuoden kuluessa. Sotilas- ja erikoistekniset sovellukset saattavat saada materiaalin käyttöön jo viidessä vuodessa tai nopeammin. Alhaisemmat valmistuskustannukset ja hyvä saatavuus lyhentävät todennäköisesti käyttöönottoaikaa huomattavasti.

Booriarseniditutkimuksen tekijät

Tutkimus Booriarsenidin lämmönjohtavuus yli 2 100 W metriä ja kelviniä kohti huoneenlämmössä toteutettiin useiden arvostettujen laitosten yhteistyönä. Mukana olivat muun muassa University of California Santa Barbara, Boston College ja Houstonin yliopisto.

Julkaisussa työn tekijöiksi nimetään professori Zhifeng Ren sekä Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido ja Ying Peng.

BAs-materiaalien tulevat tutkimussuunnat

Merkittävän virstanpylvään saavuttaminen vaati vuosien työn, joten ryhmän odotetaan jatkavan BAs:n lämmönjohtavuuden parantamista. Tulevaisuudessa se tutkii myös muita materiaaleja, jotka voisivat tarjota vastaavia tai parempia tuloksia.

Sijoittaminen grafiitin valmistukseen

Lämpöä johtavia pinnoitteita valmistaa moni yritys. Ne ovat tärkeitä nykyiselle huipputekniikalle, liikenteelle ja teollisuudelle. Seuraava yritys on vaikuttanut markkinoihin uraauurtavilla toimillaan ja tuotteillaan.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI ) perustettiin vuonna 2019. Malesialainen grafiitinvalmistaja toimittaa anodimateriaalia ja muita keskeisiä raaka-aineita sähköajoneuvo-, elektroniikka- ja viestintäjärjestelmien markkinoille.

Yhtiö on toiminut markkinoiden edelläkävijänä ja solminut strategisia yhteistyösuhteita MIT:n, Manchesterin yliopiston ja monien muiden tahojen kanssa kehittääkseen ainutlaatuista kestävää menetelmäänsä.

Graphjet Technology erottuu kilpailijoistaan erityisesti kestävyyteen keskittymällä. Se on maailman ensimmäinen valmistaja, joka on kehittänyt teollisen mittakaavan prosessin maatalousjätteenä syntyvien kierrätettyjen palmunydinkuorten muuntamiseksi akkulaatuiseksi grafiitiksi.

Yhtiön Malesiassa sijaitseva tehdas valmistaa erittäin puhdasta synteettistä grafiittia, yksikerroksista grafeenia ja muita tärkeitä materiaaleja. Se pystyy muuntamaan vuosittain 9 000 tonnia jätettä 3 000 tonniksi grafiittia. Lisäksi prosessi tuottaa vain 2,95 kg CO₂-päästöjä grafiittikiloa kohti, joten se on 83 prosenttia vaihtoehtoja puhtaampi.

Nämä tekijät lisäävät sijoittajien kiinnostusta Graphjet Technologyyn. Innovatiivista ja kestävää valmistusyhtiötä etsivien kannattaa tutkia Graphjetin osaketta tarkemmin.