L’arséniure de bore dépasse le diamant en termes de transfert de chaleur

Une équipe internationale de scientifiques dirigée par des ingénieurs de l’Université de Houston vient de prouver qu’une théorie de conductivité thermique longtemps admise est incorrecte. Leur travail a repoussé les limites de la science des matériaux et pourrait inspirer plusieurs avancées correspondantes dans les mois à venir. C’est ainsi qu’il est considéré comme un jalon majeur dans la communauté scientifique. Voici ce que vous devez savoir.

Pourquoi la conductivité thermique est importante dans l’électronique moderne

Pour comprendre l’importance de cette avancée, il est essentiel de comprendre le rôle crucial que joue le revêtement de barrière thermique dans la technologie d’aujourd’hui. Ces revêtements, généralement appliqués aux composants métalliques, aident à réduire l’exposition à la chaleur des composants vitaux.

La barrière de conductivité thermique qu’ils créent aide à rendre les moteurs d’aujourd’hui plus durables, les ordinateurs plus rapides, et constitue une partie importante de nombreux secteurs industriels. C’est ainsi qu’il y a une recherche constante pour améliorer ces surfaces. Bien qu’il y ait eu de nombreux progrès dans les matériaux synthétiques, aucun n’a jamais pu rivaliser avec la nature.

Les diamants

Pendant de nombreuses décennies, les diamants ont été considérés comme le meilleur matériau isotrope pour la conduction de la chaleur. Les matériaux isotropes sont uniques en ce sens qu’ils offrent une distribution uniforme de la chaleur dans toutes les directions cristallographiques. De plus, ils excellent dans le transfert de chaleur pour plusieurs raisons clés, notamment leurs liaisons covalentes carbon-carbone serrées.

Limitations des diamants en tant que conducteurs thermiques

Certains problèmes sont associés à l’utilisation de revêtements thermiques en diamant qui continuent de donner aux chercheurs des raisons de poursuivre leur recherche de nouveaux matériaux. Tout d’abord, ils sont plus coûteux que les autres matériaux isotropes. De plus, ils peuvent être difficiles à travailler.

Malgré ces limitations, les diamants sont toujours utilisés lorsque la dissipation rapide de la chaleur est cruciale. Cependant, un nombre croissant d’ingénieurs estiment maintenant qu’il est possible de dépasser les performances des diamants en utilisant des matériaux synthétisés. L’un de ces matériaux qui a attiré une attention croissante est l’arséniure de bore.

Arséniure de bore (BAs)

L’arséniure de bore (BAs) a émergé pour la première fois en 1959 après que les scientifiques aient réussi à synthétiser le bore et l’arsenic. Cette expérience précoce est restée en sommeil pendant de nombreuses décennies jusqu’aux années 2000. C’est alors que les progrès de la modélisation informatique et de la science des matériaux ont soudainement rendu possible de voir comment le BAs pourrait servir de conducteur de chaleur potentiel.

Ce n’est qu’en 2013, lorsque David Broido, un physicien de Boston College, a fait une prédiction frappante dans laquelle il a décrit un scénario dans lequel le BAs surpassait la conductivité thermique des diamants. Il a utilisé des calculs pour montrer que le matériau était capable d’atteindre une conductivité thermique de 2200 W/m·K à température ambiante en utilisant une approche de diffusion de phonons à trois phonons.

En 2015, le professeur Zhifeng Ren de l’Université de Houston a poussé le concept plus loin lorsqu’il a fait pousser des cristaux de BAs dans son laboratoire et les a testés. Il a mené plusieurs expériences au cours desquelles il a atteint une conductivité thermique de 1500 W/m·K à température ambiante pour un cristal unique.

Cette notation a placé le BAs au deuxième rang, juste derrière les diamants, en termes de conductivité thermique. Cela a également inspiré davantage de recherches sur le matériau et les moyens d’atteindre la conductivité thermique optimale de 2200 W/m·K à température ambiante prédite par Broido des années plus tôt.

Defis pour obtenir un BAs de haute pureté

Des travaux ont été menés sur le BAs en tant que conducteur thermique depuis ce temps. Cependant, des changements dans les stratégies de diffusion de phonons et d’autres problèmes ont conduit les ingénieurs à voir leurs résultats réduits à environ 1 300 W/mK. Heureusement, une étude récente a montré ce qui a causé ces limitations et comment les réduire.

Étude sur l’arséniure de bore

L’étude Conductivité thermique de l’arséniure de bore au-dessus de 2100 W par mètre par Kelvin à température ambiante¹ publiée dans la revue scientifique Materials Today, révèle comment les ingénieurs ont pu obtenir une conductivité thermique sans précédent de 2100 W/m·K dans des cristaux uniques d’arséniure de bore à température ambiante.

Quel était le problème ?

Comme l’ont noté les ingénieurs, les mathématiques étaient correctes, mais les expériences ne répondaient pas aux attentes. C’est alors qu’ils ont décidé de réévaluer les composants et la stratégie de base pour voir où des améliorations pouvaient être apportées. Un domaine clé où ils ont noté une perte de conductivité est l’impureté.

Source – Materials Today

Notamment, dans les matériaux isotropes, les capacités de transfert de chaleur suivent les voies cristallographiques du matériau. Dans un réglage optimal, ces voies offrent un déplacement fluide. Cependant, les ingénieurs ont noté que dans les expériences précédentes, les cristaux utilisés présentaient plusieurs imperfections qui entravaient réellement les performances. C’est ainsi qu’ils se sont lancés dans la croissance des BAs les plus purs possibles.

Comment faire pousser des BAs sans impuretés

Pour accomplir cette tâche, ils ont commencé par réimaginer le processus de base. Ils ont commencé avec de l’arsenic ultrapur. À partir de là, il a été soumis à une synthèse en quatre étapes, qui a réduit les impuretés encore plus.

L’étape suivante consistait à nettoyer complètement un tube en quartz. Notamment, les ingénieurs ont utilisé des processus de nettoyage standard de semi-conducteurs impliquant plusieurs nettoyages ultrasonores à l’aide de plusieurs matériaux, notamment l’acétone, l’éthanol et l’eau déminéralisée. Ensuite, il a été séché dans un four, éliminant toute humidité résiduelle.

À partir de là, les ingénieurs ont utilisé des lumières de transmission pour vérifier la conductivité thermique et les impuretés. Ils ont immédiatement noté qu’ils avaient une concentration de défauts ponctuels individuels substantiellement plus faible dans les cristaux par rapport aux tentatives passées.

Comment les chercheurs ont mesuré la conductivité thermique du BAs

Les scientifiques ont testé la conductivité thermique des cristaux en utilisant plusieurs méthodes très précises. L’équipe a tout d’abord utilisé la méthode de thermoréflectance dans le domaine temporel (TDTR) pour enregistrer la conductivité thermique. Dans ce test, les ingénieurs ont recouvert les cristaux d’une couche de transducteur Al de 100 nm à l’aide d’une évaporation par faisceau d’électrons pour assurer la précision.

À partir de là, le groupe a utilisé la spectroscopie Raman pour découvrir les impuretés restantes dans les cristaux. Ils ont ensuite combiné les données pour obtenir une vue d’ensemble précise des capacités et des limites du matériau. Ce qu’ils ont trouvé allait changer la dynamique thermique à l’avenir.

Résultats de conductivité thermique record

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L’essai de l’équipe a prouvé que le BAs était capable d’atteindre une conductivité thermique de niveau diamant. Plus précisément, les scientifiques ont enregistré 2 100 W/mK à température ambiante. Notamment, les spectres Raman ont permis aux ingénieurs d’observer une dépendance T−1,8, ouvrant la porte à d’autres recherches et améliorations des performances.

Les ingénieurs ont noté qu’un calcul théorique modifié permettrait de régler le processus pour utiliser une diffusion de phonons à trois phonons pour les phonons dans la plage de 4 à 8 THz, plutôt qu’une diffusion de phonons à quatre phonons couramment utilisée aujourd’hui. En utilisant cette approche, l’équipe a réussi à enregistrer la dépendance de la température de 300 à 400 K.

Avantages de l’arséniure de bore

Ce travail apporte de nombreux avantages sur le marché. Tout d’abord, il ouvre la porte aux appareils high-tech de demain pour qu’ils deviennent beaucoup plus accessibles et abordables. Les diamants sont coûteux et rares, tandis que les BAs peuvent être fabriqués sur demande. De plus, ils sont plus faciles à fabriquer et à intégrer.

Arséniure de bore en tant que matériau semi-conducteur

Une découverte inattendue a été que le BAs agit comme un semi-conducteur supérieur. Les tests ont révélé que le BAs créé a surpassé le silicium dans plusieurs catégories clés. Plus précisément, ils offrent une meilleure conductivité, une mobilité des porteurs, une expansion thermique et peuvent supporter un écart de bande plus large.

Inspirer une nouvelle ère dans la science des matériaux thermiques

Ce travail démontre pourquoi les scientifiques doivent continuellement repousser les limites pour exceller dans leurs résultats. Pendant des décennies, les diamants ont été assis en tant que rois incontestés de la conductivité thermique. Maintenant, l’ensemble de la communauté scientifique doit réévaluer ses théories, laissant de la place pour de nouvelles avancées qui étaient considérées comme impossibles auparavant.

Applications et calendrier de l’arséniure de bore dans le monde réel

Il existe de nombreuses applications pour ce travail. Tout d’abord, l’étude va changer la façon dont les fabricants pensent à la gestion thermique. Si ce matériau peut être synthétisé de manière cohérente avec un coût inférieur et une disponibilité plus élevée que les alternatives en diamant, il ouvre la porte à des matériaux et à des électroniques de gestion de la chaleur de nouvelle génération. Voici quelques applications potentielles.

Électronique haute puissance

Imaginez avoir votre ordinateur portable sur vos genoux toute la journée sans dispersion de chaleur. L’intégration de ces barrières thermiques très conductrices pourrait aider à conduire une nouvelle ère dans l’électronique portable et high-tech. Les appareils pourraient devenir plus rapides et plus puissants sans avoir besoin d’un système de refroidissement supplémentaire.

Véhicules électriques (VE) et électronique de puissance

Le marché des VE pourrait voir des améliorations significatives des performances grâce à l’intégration du BAs en tant que conducteur thermique. Ces matériaux pourraient potentiellement permettre aux fabricants de rendre leurs véhicules plus légers et plus sûrs. C’est ainsi qu’ils pourraient indirectement parcourir plus de kilomètres avec une seule charge. De plus, cette stratégie pourrait réduire les coûts des VE à l’avenir.

Centres de données

Les centres de données seront parmi les premiers à bénéficier de cette technologie. Ces écosystèmes massifs sont en forte demande grâce à l’expansion record du marché de l’IA. C’est ainsi que cette technologie aura un impact direct sur le secteur de l’IA en termes de capacités, de performances et de coûts généraux à l’avenir.

Calendrier de l’arséniure de bore

Les civils pourraient voir ce type de revêtement de chaleur utilisé dans leurs appareils électroniques dans les 7 à 10 prochaines années. Cependant, les applications militaires et autres cas d’utilisation high-tech spécialisés pourraient accéder à ces matériaux dans les 5 prochaines années ou moins. Le fait qu’il en coûte beaucoup moins cher à fabriquer et qu’il soit plus facilement accessible devrait aider à réduire les délais d’intégration de manière significative.

Chercheurs sur l’arséniure de bore

L’étude Conductivité thermique de l’arséniure de bore au-dessus de 2100 W par mètre par Kelvin à température ambiante a été un effort de collaboration qui a combiné des recherches de plusieurs institutions prestigieuses, notamment l’Université de Californie à Santa Barbara, Boston College et l’Université de Houston.

Plus précisément, l’article cite le professeur Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido et Ying Peng comme contributeurs à cette étude.

Directions futures de la recherche pour les matériaux BAs

Étant donné les années de travail qu’il a fallu pour atteindre ce jalon monumental, il est prévu que l’équipe continuera sur son chemin pour améliorer la conductivité thermique du BA. À l’avenir, ils examineront également l’utilisation d’autres matériaux qui pourraient fournir des résultats comparables ou meilleurs.

Investir dans la fabrication de graphite

Il existe de nombreuses sociétés qui produisent des revêtements conducteurs de chaleur. Ces entreprises sont cruciales pour les secteurs high-tech, de transport et industriels d’aujourd’hui. Voici une entreprise qui a été cruciale sur le marché en raison de ses efforts et de ses produits pionniers.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI )a été lancé en 2019. Ce fabricant malaisien de graphite fournit du matériau d’anode et d’autres matériaux essentiels au marché des VE, à l’électronique et aux systèmes de communication d’aujourd’hui.

L’entreprise a été une pionnière sur le marché pour plusieurs raisons et a des partenariats stratégiques avec le MIT, l’Université de Manchester et de nombreuses autres entreprises qui cherchent à étendre son approche unique et durable.

Graphjet Technology se différencie de ses concurrents de plusieurs manières. Tout d’abord, l’entreprise est axée sur la durabilité. Il s’agit du premier fabricant au monde à créer un processus industriel à grande échelle qui convertit les déchets agricoles sous forme de coques de noix de palme recyclées en graphite de qualité batterie.

L’usine malaisienne de l’entreprise livre du graphite artificiel de haute pureté, du graphène à une seule couche et d’autres matériaux essentiels. Impressionnamment, l’usine peut convertir 9 000 tonnes métriques de déchets en 3 000 tonnes de graphite par an. De plus, il n’émet que 2,95 kg de CO2 par kg de graphite, ce qui le rend 83 % plus propre que les alternatives.

Tous ces facteurs continuent d’attirer l’attention des investisseurs vers Graphjet Technologies. Ceux qui recherchent une action de fabrication innovante et durable devraient effectuer davantage de recherches sur les actions Graphjet.