L’arseniuro di boro ha appena superato il diamante nella conduzione del calore

Un team internazionale di scienziati guidato da ingegneri dell’Università di Houston ha appena dimostrato che una teoria di conduzione termica a lungo sostenuta è errata. Il loro lavoro ha spinto i confini della scienza dei materiali più in là e potrebbe ispirare diverse scoperte corrispondenti nei prossimi mesi. Pertanto, è considerato un importante traguardo nella comunità scientifica. Ecco cosa è necessario sapere.

Perché la conducibilità termica è importante nell’elettronica moderna

Per comprendere l’importanza di questa scoperta, è essenziale capire il ruolo cruciale del rivestimento barriera termica nell’attuale tecnologia. Questi rivestimenti, solitamente applicati a componenti metallici, aiutano a ridurre l’esposizione al calore dei componenti vitali.

La barriera di conducibilità termica che creano aiuta a rendere i motori di oggi più duraturi, i computer più veloci e fa parte di molti settori industriali. Pertanto, c’è una costante ricerca per migliorare queste superfici. Sebbene ci siano stati molti progressi nei materiali sintetici, nessuno di loro ha potuto competere con la natura.

Diamanti

Per molti decenni, i diamanti sono stati considerati il miglior materiale isotropo per la conduzione del calore. I materiali isotropi sono unici in quanto offrono una distribuzione uniforme del calore in tutte le direzioni cristallografiche. In particolare, eccellono nella conduzione del calore per diverse ragioni chiave, tra cui i legami covalenti carbonio-carbonio stretti.

Limitazioni dei diamanti come conduttori termici

Alcuni problemi sono associati all’uso di rivestimenti termici di diamante che continuano a dare ai ricercatori motivo di proseguire la ricerca di altri materiali. In primo luogo, sono più costosi di altri materiali isotropi. Inoltre, possono essere difficili da lavorare.

Nonostante queste limitazioni, i diamanti sono ancora utilizzati quando la dissipazione rapida del calore è fondamentale. Tuttavia, un numero crescente di ingegneri ora ritiene che sia possibile superare le prestazioni dei diamanti utilizzando materiali sintetici. Uno di questi materiali che ha ricevuto un’attenzione crescente è l’arseniuro di boro.

Arseniuro di boro (BAs)

L’arseniuro di boro (BAs) è emerso per la prima volta nel 1959 dopo che gli scienziati hanno sintetizzato con successo boro e arsenico. Questa prima sperimentazione è rimasta dormiente per molti decenni fino al 2000. È stato allora che i progressi nella modellazione informatica e nella scienza dei materiali hanno reso possibile vedere come il BAs potesse servire come potenziale conduttore di calore.

Non è stato fino al 2013, quando David Broido, un fisico del Boston College, ha fatto una previsione netta in cui ha descritto uno scenario in cui il BAs superava la conducibilità termica dei diamanti. Ha utilizzato calcoli per mostrare che il materiale era in grado di raggiungere una conducibilità termica di 2200 W/m·K a temperatura ambiente utilizzando un approccio di scattering a tre fononi.

Nel 2015, il professore dell’Università di Houston Zhifeng Ren ha portato il concetto più in là quando lui e il suo team hanno cresciuto cristalli di BAs nel loro laboratorio e li hanno testati. Ha condotto diversi esperimenti in cui ha raggiunto una conducibilità termica di un cristallo singolo di 1500 W/m·K a temperatura ambiente.

Questo rating ha posizionato il BAs al secondo posto dopo i diamanti in termini di conducibilità termica. Ha anche ispirato ulteriori ricerche sul materiale e su modi per raggiungere la conducibilità termica ottimale di 2200 W/m·K a temperatura ambiente prevista da Broido anni prima.

Sfide nel raggiungimento di BAs ad alta purezza

Il lavoro è stato condotto sul BAs come conduttore termico da quel momento in poi. Tuttavia, i cambiamenti nelle strategie di scattering dei fononi e altri problemi hanno portato gli ingegneri a vedere i loro risultati ridotti a circa 1.300 W/mK. Fortunatamente, uno studio recente ha mostrato cosa ha causato queste limitazioni e come ridurle.

Studio sull’arseniuro di boro

Lo studio Conducibilità termica di arseniuro di boro sopra 2100 W per metro per Kelvin a temperatura ambiente¹ pubblicato sulla rivista scientifica Materials Today, rivela come gli ingegneri siano stati in grado di ottenere una conducibilità termica senza precedenti di 2100 W/m·K in cristalli singoli di arseniuro di boro a temperatura ambiente.

Qual era il problema?

Come hanno notato gli ingegneri, i calcoli erano corretti, ma gli esperimenti non stavano soddisfacendo le aspettative. È allora che hanno deciso di rivedere i componenti fondamentali e la strategia per vedere dove potevano essere apportati miglioramenti. Un’area chiave in cui hanno notato una perdita di conducibilità è stata la presenza di impurezze.

Source – Materials Today

In particolare, nei materiali isotropi, le capacità di trasferimento del calore seguono i percorsi cristallografici del materiale. In un ambiente ottimale, questi percorsi offrono un viaggio liscio. Tuttavia, gli ingegneri hanno notato che negli esperimenti precedenti, i cristalli utilizzati avevano diverse imperfezioni che hanno effettivamente ostacolato le prestazioni. Pertanto, hanno iniziato a crescere il BAs più puro possibile.

Come crescere BAs senza impurezze

Per realizzare questo compito, hanno iniziato a ripensare il processo dall’inizio. Hanno iniziato con arsenico ultrapuro. Da lì, è stato sottoposto a una sintesi a quattro passaggi, che ha ridotto ulteriormente le impurezze.

Il passo successivo è stato quello di pulire completamente un tubo di quarzo. In particolare, gli ingegneri hanno utilizzato processi di pulizia standard per semiconduttori che coinvolgono diverse pulizie ultrasoniche utilizzando diversi materiali, tra cui acetone, etanolo e acqua deionizzata. Quindi, è stato asciugato in un forno, eliminando ogni umidità residua.

Da lì, gli ingegneri hanno utilizzato luci di trasmissione per controllare la conducibilità termica e le impurezze. Hanno immediatamente notato che avevano una concentrazione di difetti puntuali sostanzialmente più bassa nei cristalli individuali rispetto ai tentativi precedenti.

Come i ricercatori hanno misurato la conducibilità termica del BAs

Gli scienziati hanno testato la conducibilità termica dei cristalli utilizzando diversi metodi molto precisi. Il team ha utilizzato per primo il metodo della termoreflessione a dominio temporale (TDTR) per registrare la conducibilità termica. In questo test, gli ingegneri hanno rivestito i cristalli con uno strato di trasduttore di 100 nm Al utilizzando l’evaporazione a fascio elettronico per garantire l’accuratezza.

Da lì, il gruppo ha utilizzato la spettroscopia Raman per scoprire eventuali impurezze residue nei cristalli. Quindi, hanno combinato i dati per ottenere una visione d’insieme accurata delle capacità e dei limiti del materiale. Ciò che hanno trovato cambierà la dinamica termica in futuro.

Risultati della conducibilità termica record

Swipe to scroll →

Il test del team ha dimostrato che il BAs era in grado di raggiungere la conducibilità termica dei diamanti. In particolare, gli scienziati hanno registrato 2.100 W/mK a temperatura ambiente. In particolare, gli spettri Raman hanno consentito agli ingegneri di osservare una dipendenza T−1.8, aprendo la strada per ulteriori ricerche e miglioramenti delle prestazioni.

Gli ingegneri hanno notato che un calcolo teorico modificato avrebbe consentito loro di regolare il processo per utilizzare uno scattering a tre fononi per i fononi nella gamma 4–8 THz, anziché uno scattering a quattro fononi comunemente utilizzato oggi. Utilizzando questo approccio, il team è riuscito a registrare la dipendenza dalla temperatura da 300 a 400 K.

Vantaggi dell’arseniuro di boro

Questo lavoro porta molti vantaggi sul mercato. In primo luogo, apre la porta per i dispositivi high-tech di domani per diventare più accessibili e convenienti. I diamanti sono costosi e rari, mentre il BAs può essere prodotto su richiesta. Inoltre, sono più facili da produrre e integrare.

Arseniuro di boro come materiale semiconduttore

Una scoperta inaspettata è stata che il BAs agisce come semiconduttore superiore. I test hanno rivelato che il BAs creato ha superato il silicio in diverse categorie chiave. In particolare, offrono una migliore conducibilità, mobilità dei portatori, espansione termica e possono supportare un gap di banda più ampio.

Ispirare una nuova era nella scienza dei materiali termici

Questo lavoro dimostra perché gli scienziati devono continuare a spingere i confini per eccellere nei loro risultati. Per decenni, i diamanti sono stati i re indiscussi della conducibilità termica. Ora, l’intera comunità scientifica deve rivedere le sue teorie, aprendo spazio per nuovi progressi che in precedenza erano considerati impossibili.

Applicazioni pratiche e cronologia dell’arseniuro di boro

Ci sono molte applicazioni per questo lavoro. In primo luogo, lo studio cambierà il modo in cui i produttori pensano alla gestione termica. Se questo materiale può essere sintetizzato in modo coerente con un costo inferiore e una maggiore disponibilità rispetto alle alternative a base di diamante, apre la porta per materiali di gestione del calore e dispositivi elettronici di nuova generazione. Ecco alcune potenziali applicazioni.

Elettronica ad alta potenza

Immagina di avere il tuo laptop sulle ginocchia tutto il giorno senza dispersione di calore. L’integrazione di queste barriere termiche ad alta conducibilità potrebbe aiutare a guidare una nuova era nell’elettronica portatile e ad alta tecnologia. I dispositivi potrebbero diventare più veloci e potenti senza richiedere ulteriore supporto per il sistema di raffreddamento.

Veicoli elettrici (EV) e elettronica di potenza

Il mercato dei veicoli elettrici potrebbe vedere miglioramenti significativi nelle prestazioni grazie all’integrazione del BAs come conduttore termico. Questi materiali potrebbero potenzialmente consentire ai produttori di rendere i loro veicoli più leggeri e più sicuri. Di conseguenza, potrebbero indirettamente ottenere più miglia da una singola carica. Inoltre, questa strategia potrebbe ridurre i costi per i veicoli elettrici in futuro.

Centri dati

I centri dati saranno tra i primi a beneficiare di questa tecnologia. Questi ecosistemi massicci sono in alta domanda grazie all’espansione record del mercato dell’AI. Pertanto, questa tecnologia avrà un impatto diretto sul settore dell’AI in termini di capacità, prestazioni e costi generali in futuro.

Cronologia dell’arseniuro di boro

I civili potrebbero vedere questo tipo di rivestimento termico utilizzato nei loro dispositivi elettronici entro i prossimi 7-10 anni. Tuttavia, i casi d’uso militari e altri casi d’uso high-tech potrebbero accedere a questi materiali nel prossimo 5 anni o meno. Il fatto che costi molto meno produrlo e sia più facilmente accessibile dovrebbe aiutare a ridurre i tempi di integrazione in modo significativo.

Ricercatori dell’arseniuro di boro

Lo studio Conducibilità termica di arseniuro di boro sopra 2100 W per metro per Kelvin a temperatura ambiente è stato uno sforzo collaborativo che ha combinato ricerche di diverse istituzioni prestigiose, tra cui l’Università della California, Santa Barbara, il Boston College e l’Università di Houston.

In particolare, l’articolo elenca il professor Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghiao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido e Ying Peng come contributori al lavoro.

Future direzioni di ricerca per i materiali BAs

Data la quantità di lavoro necessaria per raggiungere questo traguardo monumentale, è previsto che il team continuerà nel suo viaggio per migliorare la conducibilità termica del BA. In futuro, cercheranno anche di utilizzare altri materiali che potrebbero fornire risultati comparabili o migliori.

Investire nella produzione di grafite

Ci sono molte aziende che producono rivestimenti conduttivi termici. Queste aziende sono cruciali per i settori high-tech, dei trasporti e industriali di oggi. Ecco un’azienda che è stata fondamentale nel mercato a causa dei suoi sforzi pionieristici e prodotti.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI ) è stata lanciata nel 2019. Questo produttore di grafite malese fornisce materiali anodici e altri materiali essenziali per il mercato dei veicoli elettrici, dell’elettronica e dei sistemi di comunicazione di oggi.

L’azienda è stata un pioniere nel mercato per diverse ragioni e ha partnership strategiche con il MIT, l’Università di Manchester e molti altri che cercano di espandere il suo approccio unico sostenibile.

Graphjet Technology differisce dai suoi concorrenti in molti modi. In primo luogo, l’azienda è tutta sulla sostenibilità. È il primo produttore al mondo a creare un processo su scala industriale che converte rifiuti agricoli sotto forma di gusci di nocciolo di palma riciclati in grafite di alta qualità per batterie.

La struttura malese dell’azienda fornisce grafite artificiale ad alta purezza, grafene a singolo strato e altri materiali essenziali. Impressionante, la struttura può convertire 9.000 tonnellate metriche di rifiuti in 3.000 tonnellate metriche di grafite all’anno. Inoltre, emette solo 2,95 kg CO2 per kg di grafite, rendendolo l’83% più pulito delle alternative.

Tutti questi fattori continuano ad attirare l’attenzione degli investitori verso Graphjet Technologies. Coloro che cercano un’azione di produzione innovativa e sostenibile dovrebbero fare ulteriori ricerche sulle azioni Graphjet.