Boronarsenid har nettopp overgått diamant i varmeoverføring

Et internasjonalt team av forskere ledet av ingeniører fra University of Houston har nettopp bevist at en lenge holdt teori om termisk ledningsevne er feil. Arbeidet deres har presset grensene for materialvitenskap videre og kan inspirere flere tilsvarende gjennombrudd i de kommende månedene. Som sådan blir det sett på som en viktig milepæl i det vitenskapelige fellesskapet. Her er det du trenger å vite.

Hvorfor termisk ledningsevne er viktig i moderne elektronikk

For å forstå betydningen av dette gjennombruddet er det viktig å forstå den avgjørende rollen termisk barrierebelegg spiller i dagens teknologi. Disse beleggene, som vanligvis påføres metalliske komponenter, bidrar til å redusere varmegjenget til vitale komponenter.

Den termiske ledningsbarrieren de skaper gjør dagens motorer mer holdbare, datamaskiner raskere, og er en viktig del av mange industrielle sektorer. Som sådan pågår det kontinuerlig forskning for å forbedre disse overflatene. Selv om det har vært mange fremskritt innen syntetiske materialer, har ingen kunnet konkurrere med naturen.

Diamanter

I flere tiår har diamanter blitt ansett som det beste isotrope materialet for varmeledning. Isotrope materialer er unike fordi de tilbyr jevn varmefordeling i alle krystallografiske retninger. De utmerker seg i varmeoverføring av flere viktige grunner, inkludert deres tette kovalente karbon‑karbon‑bindinger.

Begrensninger ved diamant som termisk leder

Noen problemer følger med bruk av diamanttermiske belegg som gir forskere grunn til å fortsette søket etter andre materialer. For det første er de dyrere enn andre isotrope materialer. I tillegg kan de være vanskelige å bearbeide.

Til tross for disse begrensningene brukes diamanter fortsatt når rask varmedispersjon er kritisk. Imidlertid tror et økende antall ingeniører nå at det er mulig å overgå diamantens ytelse ved hjelp av syntetiserte materialer. Ett materiale som har fått økende oppmerksomhet er boronarsenid.

Boronarsenid (BAs)

Boronarsenid (BAs) dukket først opp i 1959 etter at forskere med suksess syntetiserte bor og arsen. Denne tidlige eksperimenteringen lå i dvale i flere tiår frem til 2000‑tallet. Det var da fremskritt innen datamodellering og materialvitenskap plutselig gjorde det mulig å se hvordan BAs kunne fungere som en potensiell varmeleder.

Det var først i 2013, da fysikeren David Broido fra Boston College kom med en dristig prediksjon der han beskrev et scenario hvor BAs overgikk diamantens termiske ledningsevne. Han brukte beregninger for å vise at materialet kunne oppnå en termisk ledningsevne på 2200 W/m·K ved romtemperatur ved hjelp av en tre‑fonon‑spredningsmetode.

I 2015 tok professor Zhifeng Ren fra University of Houston konseptet videre da han og hans team dyrket BAs‑krystaller i laboratoriet og testet dem. Han gjennomførte flere eksperimenter hvor han oppnådde en enkeltkrystall‑termisk ledningsevne på 1500 W/m·K ved romtemperatur.

Denne rangeringen plasserte BAs på en tett andreplass bak diamanter når det gjelder termisk ledningsevne. Den inspirerte også videre forskning på materialet og måter å oppnå den optimale termiske ledningsevnen på 2200 W/m·K ved romtemperatur som Broido forutså flere år tidligere.

Utfordringer med å oppnå høy‑ren BAs

Arbeid har blitt utført på BAs som termisk leder siden den gang. Imidlertid førte endringer i fonon‑spredningsstrategier og andre problemer til at ingeniører så resultatene reduseres til omtrent 1300 W/m·K. Heldigvis har en nylig studie vist hva som forårsaket disse begrensningene og hvordan de kan reduseres.

Boronarsenid‑studie

Studien Thermal conductivity of boron arsenide above 2100 W per meter per Kelvin at room temperature¹ publisert i vitenskapstidsskriftet Materials Today, avslører hvordan ingeniører klarte å oppnå en enestående termisk ledningsevne på 2100 W/m·K i enkeltkrystaller av boronarsenid ved romtemperatur.

Hva var problemet?

Som ingeniørene bemerket, stemte beregningene, men eksperimentene nådde ikke forventningene. Da bestemte de seg for å revurdere kjernekomponentene og strategien for å se hvor forbedringer kunne gjøres. Et nøkkelområde hvor de observerte tap av ledningsevne var urenheter.

Kilde – Materials Today

Merkbart, i isotrope materialer følger varmeoverføringskapasiteten materialets krystallografiske baner. I et optimalt oppsett gir disse banene jevn reise. Imidlertid bemerket ingeniørene at i tidligere eksperimenter hadde krystallene flere feil som faktisk hindret ytelsen. Som følge av dette satte de i gang for å dyrke den reneste BAs mulig.

Hvordan dyrke BAs uten urenheter

For å oppnå dette startet de med å tenke om prosessen fra bunnen av. De begynte med ultrapure arsen. Derfra ble de satt gjennom en fire‑trinns syntese som reduserte urenheter ytterligere.

Det neste trinnet var å grundig rengjøre et kvartstuber. Merk at ingeniørene brukte standard halvleder‑rengjøringsprosesser som involverte flere ultrasoniske rensinger med ulike materialer, inkludert aceton, etanol og deionisert vann. Deretter ble den tørket i en ovn, slik at eventuell gjenværende fuktighet ble fjernet.

Deretter brukte ingeniørene transmisjonslys for å sjekke termisk ledningsevne og for urenheter. De merket umiddelbart at de hadde en betydelig lavere konsentrasjon av punktdefekter i de enkelte krystallene sammenlignet med tidligere forsøk.

Hvordan forskerne målte BAs‑termisk ledningsevne

Forskerne testet krystallenes termiske ledningsevne ved hjelp av flere svært nøyaktige metoder. Teamet brukte først tids‑domene termoreflekans (TDTR)‑metoden for å registrere termisk ledningsevne. I denne testen påførte ingeniørene krystallene et 100 nm Al‑transduserlag ved hjelp av elektronstråle‑fordamping for å sikre nøyaktighet.

Deretter benyttet gruppen Raman‑spektroskopi for å oppdage eventuelle resterende urenheter i krystallene. De kombinerte deretter dataene for å få en nøyaktig oversikt over materialets muligheter og svakheter. Det de fant vil endre termisk dynamikk fremover.

Rekord‑brytende resultater for termisk ledningsevne

Swipe to scroll →

Teamets test beviste at BAs var i stand til å oppnå diamantnivåets termiske ledningsevne. Spesielt registrerte forskerne 2100 W/m·K ved romtemperatur. Merkbart gjorde Raman‑spektrene det mulig for ingeniørene å observere en T⁻¹·⁸‑avhengighet, noe som åpnet døren for ytterligere forskning og ytelsesforbedringer.

Ingeniørene bemerket at en modifisert teoretisk beregning ville gjøre dem i stand til å finjustere prosessen for å bruke en tre‑fonon‑spredning for fononer i 4–8 THz‑området, i stedet for den fire‑fonon‑spredningen som vanligvis brukes i dag. Med denne tilnærmingen lyktes teamet i å registrere temperaturavhengighet fra 300 til 400 K.

Boronarsenid‑fordeler

Dette arbeidet gir mange fordeler til markedet. For det første åpner det døren for morgendagens høyteknologiske enheter til å bli mye mer tilgjengelige og rimelige. Diamanter er dyre og sjeldne, mens BAs kan produseres på forespørsel. I tillegg er de lettere å fremstille og integrere.

Boronarsenid som halvledermateriale

En uventet oppdagelse var at BAs fungerer som overlegne halvledere. Testene viste at BAs‑materialet de laget overgikk silisium i flere nøkkelkategorier. Spesielt tilbyr de bedre ledningsevne, bærer‑mobilitet, termisk ekspansjon, og kan støtte en bredere båndgap.

Inspirasjon til en ny æra innen termisk materialvitenskap

Dette arbeidet demonstrerer hvorfor forskere må fortsette å presse grensene for å oppnå fremragende resultater. I flere tiår har diamanter stått som de ubestridte kongene av termisk ledningsevne. Nå må hele det vitenskapelige fellesskapet revurdere sine teorier, noe som gir rom for nye fremskritt som tidligere ble ansett som umulige.

Boronarsenid i virkelige anvendelser og tidslinje

Det finnes mange anvendelser for dette arbeidet. For det første vil studien endre hvordan produsenter tenker på termisk styring. Hvis dette materialet kan syntetiseres konsekvent med lavere kostnad og større tilgjengelighet enn diamantalternativer, åpner det døren for neste generasjons varmehåndteringsmaterialer og elektronikk. Her er noen potensielle anvendelser.

Høy‑ytelses elektronikk

Tenk deg å ha laptop‑en på fanget hele dagen uten noen varmedistribusjon. Integreringen av disse svært ledende termiske barrierene kan bidra til å drive en ny æra innen høy‑teknologisk og bærbar elektronikk. Enheter kan bli raskere og kraftigere uten behov for ekstra kjølesystemer.

Elektriske kjøretøy (EV) og kraft‑elektronikk

EV‑markedet kan se betydelige ytelsesforbedringer takket være integreringen av BAs som termiske ledere. Disse materialene kan potensielt gjøre det mulig for produsenter å lage kjøretøy som er lettere og sikrere. Som følge av dette kan de indirekte oppnå mer rekkevidde per lading. I tillegg kan denne strategien redusere kostnadene for EV‑er i fremtiden.

Datasentre

Datasentre vil være blant de første som ser fordelene med denne teknologien. Disse massive økosystemene er i høy etterspørsel takket være AI‑markedet som oppnår rekordutvidelser. Som sådan vil denne teknologien ha en direkte innvirkning på AI‑sektoren når det gjelder kapasitet, ytelse og driftskostnader fremover.

Boronarsenid‑tidslinje

Sivilbefolkningen kan se denne typen varmebelegg brukt i sine elektroniske enheter innen de neste 7–10 årene. Imidlertid kan militære og andre spesialiserte høy‑teknologiske bruksområder få tilgang til disse materialene i løpet av de neste 5 årene eller mindre. Det faktum at det koster mye mindre å produsere og er mer lett tilgjengelig bør bidra til å redusere integrasjonstiden betydelig.

Boronarsenid‑forskere

Studien Thermal conductivity of boron arsenide above 2100 W per meter per Kelvin at room temperature var et samarbeid som kombinerte forskning fra flere prestisjetunge institusjoner, inkludert University of California, Santa Barbara, Boston College og University of Houston.

Spesifikt lister artikkelen professor Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido og Ying Peng som bidragsytere til arbeidet.

Fremtidige forskningsretninger for BAs‑materialer

Gitt antall år det tok å oppnå dette monumentale milepælet, forventes det at teamet vil fortsette sin reise for å forbedre BAs‑termiske ledningsevne. I fremtiden vil de også undersøke bruk av andre materialer som kan gi sammenlignbare eller bedre resultater.

Investering i grafittproduksjon

Det finnes mange firmaer som produserer termisk ledende belegg. Disse selskapene er avgjørende for dagens høy‑teknologiske, transport‑ og industrisektorer. Her er ett firma som har vært sentralt i markedet på grunn av sine banebrytende innsatsområder og produkter.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI )ble lansert i 2019. Denne malaysiske grafittprodusenten leverer anodemateriale og andre kritiske materialer til dagens EV‑marked, elektronikk og kommunikasjonssystemer.

Selskapet har vært en pioner i markedet av flere grunner og har strategiske partnerskap med MIT, University of Manchester og mange andre som søker å utvide sin unike bærekraftige tilnærming.

Graphjet Technology skiller seg fra konkurrentene på mange måter. For det første handler selskapet om bærekraft. Det er den første produsenten i verden som har skapt en industriell prosess i stor skala som omdanner landbruksavfall i form av resirkulerte palmekjerneskall til batterigradert grafitt.

Selskapets malaysiske anlegg leverer høy‑ren kunstig grafitt, enkelt‑lag grafen og andre essensielle materialer. Imponerende nok kan anlegget konvertere 9 000 metrisk tonn av avfall til 3 000 metrisk tonn grafitt årlig. I tillegg slipper det kun 2,95 kg CO₂ per kg grafitt, noe som gjør det 83 % renere enn alternativer.

Alle disse faktorene fortsetter å tiltrekke investoroppmerksomhet mot Graphjet Technologies. De som søker en innovativ og bærekraftig produksjonsaksje bør undersøke Graphjet‑aksjene nærmere.