Boron Arsenide Baru Saja Mengalahkan Berlian dalam Transfer Panas

Sebuah tim internasional ilmuwan yang dipimpin oleh insinyur Universitas Houston baru saja membuktikan bahwa teori konduktivitas termal yang telah lama dipegang itu salah. Penelitian mereka mendorong batas ilmu material lebih jauh dan dapat menginspirasi beberapa terobosan terkait dalam beberapa bulan mendatang. Oleh karena itu, hal ini dianggap sebagai tonggak penting dalam komunitas ilmiah. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Mengapa Konduktivitas Termal Penting dalam Elektronik Modern

Untuk memahami pentingnya terobosan ini, penting untuk memahami peran krusial lapisan penghalang termal dalam teknologi saat ini. Lapisan ini, biasanya diterapkan pada komponen logam, membantu mengurangi paparan panas pada komponen penting.

Penghalang konduktivitas termal yang mereka ciptakan membantu membuat mesin masa kini lebih tahan lama, komputer lebih cepat, dan menjadi bagian penting dari banyak sektor industri. Oleh karena itu, penelitian terus-menerus dilakukan untuk meningkatkan permukaan ini. Meskipun telah banyak kemajuan dalam material sintetis, tidak ada yang dapat bersaing dengan alam.

Berlian

Selama beberapa dekade, berlian dianggap sebagai material isotropik terbaik untuk konduksi panas. Material isotropik unik karena memberikan distribusi panas yang seragam di semua arah kristalografi. Secara tajam, mereka unggul dalam transfer panas karena beberapa alasan utama, termasuk ikatan kovalen karbon-karbon yang kuat.

Keterbatasan Berlian sebagai Konduktor Termal

Beberapa masalah muncul saat menggunakan lapisan termal berlian yang terus memberi peneliti alasan untuk melanjutkan pencarian material lain. Pertama, mereka lebih mahal dibandingkan material isotropik lainnya. Selain itu, mereka sulit untuk diproses.

Meskipun ada keterbatasan ini, berlian masih digunakan ketika disipasi panas yang cepat sangat penting. Namun, semakin banyak insinyur yang kini percaya bahwa kinerja berlian dapat dilampaui dengan material sintetis. Salah satu material yang semakin mendapat perhatian adalah Boron Arsenide.

Boron Arsenide (BAs)

Boron Arsenide (BAs) pertama kali muncul pada tahun 1959 setelah ilmuwan berhasil mensintesis boron dan arsenik. Eksperimen awal ini terdiam selama beberapa dekade hingga tahun 2000-an. Pada saat itu, kemajuan dalam pemodelan komputer dan ilmu material secara tiba-tiba memungkinkan untuk melihat bagaimana BAs dapat berfungsi sebagai konduktor panas potensial.

Baru pada tahun 2013, ketika David Broido, seorang fisikawan dari Boston College, membuat prediksi tegas yang menggambarkan skenario di mana BAs melampaui konduktivitas termal berlian. Ia menggunakan perhitungan untuk menunjukkan bahwa material tersebut mampu mencapai konduktivitas termal sebesar 2200 W/m·K pada suhu ruang dengan pendekatan hamburan tiga-fonon.

Pada tahun 2015, Profesor Zhifeng Ren dari Universitas Houston melanjutkan konsep tersebut ketika ia dan timnya menumbuhkan kristal BAs di laboratorium mereka dan mengujinya. Ia melakukan beberapa percobaan di mana ia mencapai konduktivitas termal kristal tunggal sebesar 1500 W/m·K pada suhu ruang.

Penilaian ini menempatkan BAs di posisi kedua yang dekat di belakang berlian dalam hal konduktivitas termal. Hal ini juga menginspirasi penelitian lebih lanjut tentang material tersebut dan cara mencapai konduktivitas termal optimal sebesar 2200 W/m·K pada suhu ruang yang diprediksi Broido bertahun-tahun sebelumnya.

Tantangan dalam Mencapai BAs Berkualitas Tinggi

Penelitian telah dilakukan pada BAs sebagai konduktor termal sejak saat itu. Namun, perubahan dalam strategi hamburan fonon dan masalah lain menyebabkan insinyur melihat hasil mereka menurun menjadi sekitar 1.300 W/mK. Untungnya, sebuah studi terbaru telah menunjukkan apa yang menyebabkan keterbatasan ini dan bagaimana menguranginya.

Studi Boron Arsenide

Studi Konduktivitas termal boron arsenide di atas 2100 W per meter per Kelvin pada suhu ruang¹ yang dipublikasikan dalam jurnal ilmiah Materials Today, mengungkapkan bagaimana insinyur berhasil memperoleh konduktivitas termal yang belum pernah terjadi sebelumnya sebesar 2100 W/m·K pada kristal tunggal boron arsenide pada suhu ruang.

Apa Masalahnya?

Seperti yang dicatat insinyur, perhitungannya sudah tepat, tetapi percobaan tidak memenuhi harapan. Saat itulah mereka memutuskan untuk mengevaluasi kembali komponen inti dan strategi untuk melihat di mana perbaikan dapat dilakukan. Salah satu area kunci di mana mereka mencatat kehilangan konduktivitas adalah impuritas.

Sumber – Materials Today

Secara khusus, pada material isotropik, kemampuan transfer panas mengikuti jalur kristalografi material tersebut. Dalam kondisi optimal, jalur ini memberikan aliran yang mulus. Namun, insinyur mencatat bahwa dalam percobaan sebelumnya, kristal yang digunakan memiliki beberapa ketidaksempurnaan yang sebenarnya menghambat kinerja. Oleh karena itu, mereka berusaha menumbuhkan BAs yang paling murni mungkin.

Cara Menumbuhkan BAs tanpa Impuritas

Untuk menyelesaikan tugas ini, mereka mulai membayangkan kembali proses dari awal. Mereka memulai dengan arsenik ultra murni. Dari situ, mereka menjalani sintesis empat langkah, yang lebih mengurangi impuritas.

Langkah selanjutnya adalah membersihkan tabung kuarsa secara menyeluruh. Secara khusus, insinyur menggunakan proses pembersihan semikonduktor standar yang melibatkan beberapa pembersihan ultrasonik menggunakan beberapa bahan, termasuk aseton, etanol, dan air deionisasi. Kemudian, tabung dikeringkan dalam oven, menghilangkan sisa kelembapan.

Dari situ, insinyur menggunakan cahaya transmisi untuk memeriksa konduktivitas termal dan keberadaan impuritas. Mereka segera mencatat bahwa konsentrasi cacat titik pada kristal individu jauh lebih rendah dibandingkan upaya sebelumnya.

Bagaimana Peneliti Mengukur Konduktivitas Termal BAs

Para ilmuwan menguji konduktivitas termal kristal dengan menggunakan beberapa metode yang sangat akurat. Tim pertama-tama menggunakan metode time-domain thermoreflectance (TDTR) untuk mengukur konduktivitas termal. Dalam pengujian ini, insinyur melapisi kristal dengan lapisan transduser Al setebal 100 nm menggunakan evaporasi sinar elektron untuk memastikan akurasi.

Selanjutnya, kelompok tersebut menggunakan spektroskopi Raman untuk menemukan sisa impuritas dalam kristal. Mereka kemudian menggabungkan data untuk mendapatkan gambaran akurat tentang kemampuan dan kekurangan material. Temuan mereka akan mengubah dinamika termal ke depannya.

Hasil Konduktivitas Termal Rekor

Geser untuk menggulir →

Pengujian tim membuktikan bahwa BAs mampu mencapai konduktivitas termal setara berlian. Secara khusus, para ilmuwan mencatat 2.100 W/mK pada suhu ruang. Secara khusus, spektrum Raman memungkinkan insinyur mengamati ketergantungan T−1.8, membuka peluang untuk penelitian lebih lanjut dan peningkatan kinerja.

Insinyur mencatat bahwa perhitungan teoretis yang dimodifikasi akan memungkinkan mereka menyesuaikan proses untuk menggunakan hamburan tiga-fonon bagi fonon dalam rentang 4–8 THz, alih-alih hamburan empat-fonon yang umum digunakan saat ini. Dengan pendekatan ini, tim berhasil mencatat ketergantungan suhu dari 300 hingga 400 K.

Manfaat Boron Arsenide

Penelitian ini membawa banyak manfaat bagi pasar. Pertama, ini membuka peluang bagi perangkat teknologi tinggi masa depan menjadi jauh lebih terjangkau dan dapat diakses. Berlian mahal dan langka, sedangkan BAs dapat diproduksi sesuai permintaan. Selain itu, BAs lebih mudah diproduksi dan diintegrasikan.

Boron Arsenide sebagai Material Semikonduktor

Satu penemuan tak terduga adalah bahwa BAs berperan sebagai semikonduktor superior. Pengujian mengungkapkan bahwa BAs yang mereka buat melampaui silikon dalam beberapa kategori utama. Secara khusus, mereka menawarkan konduktivitas yang lebih baik, mobilitas pembawa muatan, ekspansi termal, dan dapat mendukung celah pita yang lebih lebar.

Menginspirasi Era Baru dalam Ilmu Material Termal

Penelitian ini menunjukkan mengapa ilmuwan perlu terus mendorong batasan untuk unggul dalam hasil mereka. Selama beberapa dekade, berlian menjadi raja tak terbantahkan dalam konduktivitas termal. Sekarang, seluruh komunitas ilmiah harus mengevaluasi kembali teorinya, membuka ruang bagi kemajuan baru yang sebelumnya dianggap tidak mungkin.

Aplikasi Dunia Nyata Boron Arsenide dan Garis Waktu

Ada banyak aplikasi untuk penelitian ini. Pertama, studi ini akan mengubah cara produsen memikirkan manajemen termal. Jika material ini dapat secara konsisten disintesis dengan biaya lebih rendah dan ketersediaan lebih tinggi dibandingkan alternatif berlian, hal ini membuka peluang bagi material dan elektronik manajemen panas generasi berikutnya. Berikut beberapa aplikasi potensial.

Elektronik Daya Tinggi

Bayangkan memiliki laptop di pangkuan Anda sepanjang hari tanpa penyebaran panas. Integrasi penghalang termal yang sangat konduktif ini dapat membantu memicu era baru dalam elektronik berteknologi tinggi dan portabel. Perangkat dapat menjadi lebih cepat dan lebih kuat tanpa memerlukan dukungan sistem pendinginan tambahan.

Kendaraan Listrik (EV) dan Elektronik Daya

Pasar EV dapat melihat peningkatan signifikan dalam kinerja berkat integrasi BAs sebagai konduktor termal. Material ini berpotensi memungkinkan produsen membuat kendaraan lebih ringan dan lebih aman. Dengan demikian, kendaraan dapat secara tidak langsung menempuh jarak lebih jauh per satu kali pengisian. Selain itu, strategi ini dapat mengurangi biaya EV di masa depan.

Pusat Data

Pusat data akan menjadi salah satu yang pertama merasakan manfaat teknologi ini. Ekosistem besar ini sangat dibutuhkan berkat pasar AI yang mencapai ekspansi rekor. Oleh karena itu, teknologi ini akan memiliki dampak langsung pada sektor AI dalam hal kemampuan, kinerja, dan beban operasional ke depannya.

Garis Waktu Boron Arsenide

Publik dapat melihat jenis pelapisan panas ini digunakan dalam elektronik mereka dalam 7-10 tahun ke depan. Namun, militer dan kasus penggunaan teknologi tinggi khusus lainnya mungkin memperoleh akses ke material ini dalam 5 tahun ke depan atau lebih cepat. Fakta bahwa biaya produksi jauh lebih rendah dan ketersediaannya lebih mudah seharusnya membantu mengurangi waktu integrasi secara signifikan.

Peneliti Boron Arsenide

Studi Konduktivitas termal boron arsenide di atas 2100 W per meter per Kelvin pada suhu ruang merupakan upaya kolaboratif yang menggabungkan penelitian dari beberapa institusi bergengsi, termasuk University of California, Santa Barbara, Boston College, dan University of Houston.

Secara khusus, makalah tersebut mencantumkan Profesor Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido, dan Ying Peng sebagai kontributor dalam pekerjaan ini.

Arah Penelitian Masa Depan untuk Material BAs

Mengingat bertahun-tahun kerja yang diperlukan untuk mencapai tonggak monumental ini, diharapkan tim akan melanjutkan perjalanan mereka untuk meningkatkan konduktivitas termal BAs. Di masa depan, mereka juga akan meneliti penggunaan material lain yang mungkin memberikan hasil yang sebanding atau lebih baik.

Berinvestasi dalam Produksi Grafit

Ada banyak perusahaan yang memproduksi lapisan konduktif termal. Perusahaan-perusahaan ini penting bagi sektor teknologi tinggi, transportasi, dan industri saat ini. Berikut satu perusahaan yang telah menjadi kunci di pasar karena upaya pionir dan produknya.

Graphjet Technology

Graphjet Technology diluncurkan pada tahun 2019. Produsen grafit Malaysia ini menyediakan material anoda dan material penting lainnya untuk pasar EV, elektronik, dan sistem komunikasi saat ini.

Perusahaan ini telah menjadi pionir di pasar karena beberapa alasan dan memiliki kemitraan strategis dengan MIT, University of Manchester, serta banyak lainnya yang berupaya memperluas pendekatan berkelanjutan yang unik.

Graphjet Technology berbeda dari pesaingnya dalam banyak hal. Pertama, perusahaan ini berfokus pada keberlanjutan. Ini adalah produsen pertama di dunia yang menciptakan proses skala industri yang mengubah limbah pertanian berupa kulit kelapa sawit daur ulang menjadi grafit kelas baterai.

Fasilitas perusahaan di Malaysia menghasilkan grafit buatan berkualitas tinggi, graphene lapisan tunggal, dan material penting lainnya. Secara mengesankan, fasilitas ini dapat mengubah 9.000 ton metrik limbah menjadi 3.000 ton metrik grafit setiap tahun. Selain itu, hanya menghasilkan 2,95 kg CO2 per kg grafit, menjadikannya 83% lebih bersih dibandingkan alternatif.

Semua faktor ini terus menarik perhatian investor ke Graphjet Technologies. Mereka yang mencari saham manufaktur inovatif dan berkelanjutan sebaiknya melakukan riset lebih lanjut tentang saham Graphjet.