Boron Arsenide Baru Mengungguli Berlian dalam Transfer Panas

Sebuah tim ilmiah internasional yang dipimpin oleh insinyur Universitas Houston baru saja membuktikan bahwa sebuah teori konduktivitas termal yang telah lama dipercaya tidak tepat. Mereka mendorong batas-batas sains material lebih jauh dan dapat menginspirasi beberapa kemajuan yang sesuai dalam beberapa bulan mendatang. Sebagai hasilnya, ini dianggap sebagai sebuah tonggak penting dalam komunitas ilmiah. Berikut adalah apa yang perlu Anda ketahui.

Mengapa Konduktivitas Termal Penting dalam Elektronik Modern

Untuk memahami pentingnya kemajuan ini, sangat penting untuk memahami peran kritis yang dimainkan oleh lapisan pelindung termal dalam teknologi saat ini. Lapisan-lapisan ini, biasanya diterapkan pada komponen logam, membantu mengurangi paparan panas pada komponen-komponen vital.

Lapisan pelindung termal yang mereka ciptakan membantu membuat mesin saat ini lebih tahan lama, komputer lebih cepat, dan merupakan bagian penting dari banyak sektor industri. Sebagai hasilnya, ada penelitian yang terus-menerus untuk memperbaiki permukaan ini. Sementara ada banyak kemajuan dalam bahan sintetis, tidak ada yang pernah dapat bersaing dengan alam.

Berlian

Selama beberapa dekade, berlian telah dianggap sebagai bahan isotropik terbaik untuk konduktivitas panas. Bahan-bahan isotropik unik karena mereka menawarkan distribusi panas yang seragam di semua arah kristalografi. Berlian sangat unggul dalam transfer panas karena beberapa alasan, termasuk ikatan karbon-karbon kovalen yang kuat.

Batasan Berlian sebagai Konduktor Termal

Beberapa masalah datang bersama dengan menggunakan lapisan termal berlian yang terus memberi para peneliti alasan untuk melanjutkan pencarian mereka untuk bahan lain. Pertama, mereka lebih mahal daripada bahan isotropik lainnya. Selain itu, mereka dapat sulit untuk dikerjakan.

Meskipun ada batasan ini, berlian masih digunakan ketika dissipasi panas yang cepat sangat penting. Namun, sejumlah insinyur sekarang percaya bahwa memungkinkan untuk melampaui kinerja berlian dengan menggunakan bahan sintetis. Salah satu bahan yang telah mendapatkan perhatian yang meningkat adalah Boron Arsenida.

Boron Arsenida (BAs)

Boron Arsenida (BAs) pertama kali muncul pada 1959 setelah para ilmuwan berhasil mensintesis boron dan arsenik. Eksperimen awal ini terdiam selama beberapa dekade hingga 2000-an. Itu adalah saat kemajuan dalam pemodelan komputer dan sains material membuatnya mungkin untuk melihat bagaimana BAs dapat berfungsi sebagai konduktor panas potensial.

Tidak sampai 2013, ketika David Broido, seorang fisikawan Boston College, membuat prediksi yang tajam di mana ia menggambarkan skenario di mana BAs melampaui konduktivitas termal berlian. Ia menggunakan perhitungan untuk menunjukkan bahwa bahan ini mampu mencapai konduktivitas termal 2200 W/m·K pada suhu kamar menggunakan pendekatan hamburan tiga-phonon.

Pada 2015, Profesor Universitas Houston Zhifeng Ren membawa konsep ini lebih jauh ketika ia dan timnya menumbuhkan kristal BAs di laboratorium mereka dan mengujinya. Ia melakukan beberapa eksperimen di mana ia mencapai konduktivitas termal kristal tunggal 1500 W/m·K pada suhu kamar.

Peringkat ini menempatkan BAs di posisi kedua setelah berlian dalam hal konduktivitas termal. Ini juga menginspirasi penelitian lebih lanjut ke dalam bahan dan cara untuk mencapai konduktivitas termal optimal 2200 W/m·K pada suhu kamar yang diprediksi oleh Broido beberapa tahun sebelumnya.

Tantangan dalam Mencapai BAs Berkualitas Tinggi

Pekerjaan telah dilakukan pada BAs sebagai konduktor termal sejak saat itu. Namun, perubahan dalam strategi hamburan phonon dan masalah lainnya menyebabkan insinyur melihat hasil mereka berkurang menjadi sekitar 1.300 W/mK. Beruntung, sebuah studi baru-baru ini telah menunjukkan apa yang menyebabkan batasan ini dan bagaimana menguranginya.

Studi Boron Arsenida

Studi Konduktivitas Termal Boron Arsenida di atas 2100 W per meter per Kelvin pada Suhu Kamar¹ yang diterbitkan dalam jurnal ilmiah Materials Today, mengungkapkan bagaimana insinyur dapat mencapai konduktivitas termal yang belum pernah terjadi sebelumnya sebesar 2100 W/m·K dalam kristal boron arsenida tunggal pada suhu kamar.

Apa Masalahnya?

Seperti yang dicatat oleh insinyur, matematika itu benar, tetapi eksperimen tidak memenuhi harapan. Itulah saat mereka memutuskan untuk mengevaluasi kembali komponen inti dan strategi untuk melihat di mana perbaikan dapat dibuat. Salah satu area kunci di mana mereka mencatat kehilangan konduktivitas adalah impuritas.

Source – Materials Today

Terutama, dalam bahan isotropik, kemampuan transfer panas mengikuti jalur kristalografi bahan. Dalam pengaturan optimal, jalur-jalur ini menyediakan perjalanan yang mulus. Namun, insinyur mencatat bahwa dalam eksperimen sebelumnya, kristal yang digunakan memiliki beberapa kekurangan yang sebenarnya menghambat kinerja. Sebagai hasilnya, mereka memulai untuk menumbuhkan BAs yang paling murni.

Bagaimana Mengembangkan BAs tanpa Impuritas

Untuk mencapai tugas ini, mereka memulai dengan mereimaginasikan proses dari awal. Mereka dimulai dengan arsenik ultramurni. Dari sana, saya diproses melalui sintesis empat langkah, yang mengurangi impuritas lebih lanjut.

Langkah berikutnya adalah membersihkan tabung kuarsa secara menyeluruh. Terutama, insinyur menggunakan proses pembersihan semikonduktor standar yang melibatkan beberapa pembersihan ultrasonik menggunakan beberapa bahan, termasuk aseton, etanol, dan air deionisasi. Kemudian, itu dikeringkan dalam oven, menghilangkan kelembaban yang tersisa.

Dari sana, insinyur menggunakan cahaya transmisi untuk memeriksa konduktivitas termal dan impuritas. Mereka segera mencatat bahwa mereka memiliki konsentrasi cacat titik yang jauh lebih rendah dalam kristal individu dibandingkan dengan upaya sebelumnya.

Bagaimana Peneliti Mengukur Konduktivitas Termal BAs

Ilmuwan menguji konduktivitas termal kristal menggunakan beberapa metode yang sangat akurat. Tim pertama menggunakan metode time-domain thermoreflectance (TDTR) untuk mendaftarkan konduktivitas termal. Dalam tes ini, insinyur melapisi kristal dengan lapisan transduser Al 100-nm menggunakan evaporasi berkas elektron untuk memastikan akurasi.

Dari sana, kelompok tersebut menggunakan spektroskopi Raman untuk menemukan impuritas yang tersisa dalam kristal. Mereka kemudian menggabungkan data untuk mendapatkan gambaran yang akurat tentang kemampuan dan kelemahan bahan. Apa yang mereka temukan akan mengubah dinamika termal ke depan.

Hasil Konduktivitas Termal yang Memecahkan Rekor

Swipe to scroll →

Tim tersebut membuktikan bahwa BAs mampu mencapai konduktivitas termal setara dengan berlian. Secara khusus, ilmuwan mencatat 2.100 W/mK pada suhu kamar. Terutama, spektra Raman memungkinkan insinyur untuk mengamati ketergantungan T−1,8, membuka pintu untuk penelitian lebih lanjut dan perbaikan kinerja.

Insinyur mencatat bahwa perhitungan teoretis yang dimodifikasi akan memungkinkan mereka untuk menyetel proses untuk menggunakan hamburan tiga-phonon untuk phonon dalam kisaran 4–8 THz, bukan hamburan empat-phonon yang umum digunakan saat ini. Dengan menggunakan pendekatan ini, tim tersebut berhasil mencatat ketergantungan suhu dari 300 hingga 400 K.

Manfaat Boron Arsenida

Pekerjaan ini membawa banyak manfaat ke pasar. Pertama, ini membuka pintu untuk perangkat canggih hari ini untuk menjadi lebih mudah diakses dan terjangkau. Berlian mahal dan langka, sedangkan BAs dapat dibuat sesuai permintaan. Selain itu, mereka lebih mudah untuk diproduksi dan diintegrasikan.

Boron Arsenida sebagai Bahan Semikonduktor

Satu penemuan yang tidak terduga adalah bahwa BAs bertindak sebagai semikonduktor yang unggul. Tes tersebut mengungkapkan bahwa BAs yang mereka buat melampaui silikon dalam beberapa kategori kunci. Secara khusus, mereka menawarkan konduktivitas yang lebih baik, mobilitas pembawa, ekspansi termal, dan dapat mendukung celah pita yang lebih luas.

Menginspirasi Era Baru dalam Sains Material Termal

Pekerjaan ini menunjukkan mengapa ilmuwan perlu terus mendorong batas-batas untuk unggul dalam hasil mereka. Selama beberapa dekade, berlian duduk sebagai raja konduktivitas termal yang tidak terbantahkan. Sekarang, seluruh komunitas ilmiah harus mengevaluasi kembali teori mereka, membuka ruang untuk kemajuan baru yang sebelumnya dianggap tidak mungkin.

Aplikasi Boron Arsenida di Dunia Nyata dan Timeline

Ada banyak aplikasi untuk pekerjaan ini. Pertama, studi ini akan mengubah cara produsen memikirkan tentang manajemen termal. Jika bahan ini dapat disintesis secara konsisten dengan biaya yang lebih rendah dan ketersediaan yang lebih baik daripada alternatif berlian, ini membuka pintu untuk bahan manajemen panas generasi berikutnya dan elektronik. Berikut adalah beberapa aplikasi potensial.

Elektronik Berdaya Tinggi

Bayangkan memiliki laptop Anda di pangkuan Anda sepanjang hari tanpa dispersi panas. Integrasi dari penghalang termal yang sangat konduktif ini dapat membantu mengarahkan era baru dalam elektronik canggih dan portabel. Perangkat dapat menjadi lebih cepat dan lebih kuat tanpa memerlukan dukungan sistem pendingin tambahan.

Kendaraan Listrik (EV) dan Elektronik Daya

Pasar EV dapat melihat perbaikan yang signifikan dalam kinerja karena integrasi BAs sebagai konduktor termal. Bahan-bahan ini dapat memungkinkan produsen untuk membuat kendaraan mereka lebih ringan dan lebih aman. Sebagai hasilnya, mereka dapat tidak langsung mendapatkan lebih banyak kilometer dari satu pengisian daya. Selain itu, strategi ini dapat mengurangi biaya untuk EV di masa depan.

Pusat Data

Pusat data akan menjadi yang pertama untuk melihat manfaat dari teknologi ini. Ekosistem besar ini sangat diminati berkat pasar AI yang mencapai ekspansi rekor. Sebagai hasilnya, teknologi ini akan memiliki dampak langsung pada sektor AI dalam hal kemampuan, kinerja, dan biaya overhead ke depan.

Timeline Boron Arsenida

Warga sipil dapat melihat lapisan panas ini digunakan dalam elektronik mereka dalam waktu 7-10 tahun ke depan. Namun, kasus penggunaan militer dan teknologi canggih lainnya mungkin mendapatkan akses ke bahan-bahan ini dalam waktu 5 tahun atau kurang. Fakta bahwa biayanya jauh lebih rendah untuk memproduksi dan lebih mudah diakses harus membantu mengurangi waktu integrasi secara signifikan.

Peneliti Boron Arsenida

Studi Konduktivitas Termal Boron Arsenida di atas 2100 W per meter per Kelvin pada Suhu Kamar adalah upaya kolaboratif yang menggabungkan penelitian dari beberapa institusi bergengsi, termasuk Universitas California, Santa Barbara, Boston College, dan Universitas 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 untuk pekerjaan ini.

Arah Penelitian Masa Depan untuk Bahan BAs

Mengingat tahun-tahun pekerjaan yang diperlukan untuk mencapai tonggak monumental ini, diharapkan tim akan melanjutkan perjalanan mereka untuk meningkatkan konduktivitas termal BAs. Di masa depan, mereka juga akan melihat penggunaan bahan lain yang mungkin menyediakan hasil yang sama atau lebih baik.

Investasi dalam Manufaktur Grafit

Ada banyak perusahaan yang memproduksi lapisan konduktif termal. Perusahaan-perusahaan ini sangat penting untuk sektor teknologi canggih, transportasi, dan industri saat ini. Berikut adalah satu perusahaan yang telah menjadi penting di pasar karena upaya perintis dan produk mereka.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI )diluncurkan pada 2019. Pabrikan grafit Malaysia ini menyediakan bahan anoda dan bahan penting lainnya untuk pasar EV, elektronik, dan sistem komunikasi saat ini.

Perusahaan ini telah menjadi pelopor di pasar karena beberapa alasan dan memiliki kemitraan strategis dengan MIT, Universitas Manchester, dan banyak lainnya yang mencari untuk memperluas pendekatan berkelanjutan yang unik.

Graphjet Technology berbeda dari pesaingnya dalam banyak hal. Pertama, perusahaan ini semua tentang keberlanjutan. Ini adalah produsen pertama di dunia yang menciptakan proses skala industri yang mengubah limbah pertanian menjadi grafit berkualitas baterai.

Fasilitas Malaysia mereka menghasilkan grafit buatan yang murni, grafit tunggal, dan bahan penting lainnya. Mengesankan, fasilitas ini dapat mengubah 9.000 ton metrik limbah menjadi 3.000 ton metrik grafit setiap tahun. Selain itu, hanya mengeluarkan 2,95 kg CO2 per kg grafit, membuatnya 83% lebih bersih daripada alternatif.

Semua faktor ini terus mendorong perhatian investor ke Graphjet Technologies. Mereka yang mencari saham manufaktur inovatif dan berkelanjutan harus melakukan lebih banyak penelitian tentang saham Graphjet.