Boronarsenid har just överträffat diamant i värmeöverföring

En internationell forskargrupp ledd av ingenjörer vid University of Houston har visat att en sedan länge accepterad teori om värmeledningsförmåga är felaktig. Arbetet flyttar fram materialvetenskapens gränser och kan leda till flera nya genombrott under de kommande månaderna. Därför ses det som en viktig milstolpe inom forskarvärlden. Här är det viktigaste du behöver veta.

Varför värmeledningsförmåga är viktig i modern elektronik

För att förstå genombrottets betydelse måste man känna till den viktiga roll som värmebarriärbeläggningar spelar i dagens teknik. Beläggningarna appliceras vanligtvis på metallkomponenter och minskar värmepåverkan på känsliga delar.

Värmebarriären gör dagens motorer mer hållbara och datorer snabbare och är viktig inom många industrisektorer. Därför pågår ständig forskning för att förbättra dessa ytor. Trots stora framsteg inom syntetiska material har inget tidigare kunnat konkurrera med naturen.

Diamanter

Diamant har i många årtionden betraktats som det bästa isotropa materialet för värmeledning. Isotropa material fördelar värme jämnt i alla kristallografiska riktningar. Diamant leder värme särskilt väl, bland annat tack vare sina starka kovalenta kol-kolbindningar.

Begränsningar för diamant som värmeledare

Värmebeläggningar av diamant har flera nackdelar som får forskare att fortsätta söka efter andra material. Diamant är dyrare än andra isotropa material och kan dessutom vara svår att bearbeta.

Trots begränsningarna används diamant fortfarande när snabb värmeavledning är avgörande. Allt fler ingenjörer tror dock att syntetiska material kan överträffa diamantens prestanda. Ett material som har fått ökad uppmärksamhet är borarsenid.

Borarsenid (BAs)

Borarsenid (BAs) framställdes första gången 1959 när forskare lyckades syntetisera bor och arsenik. De tidiga försöken låg sedan vilande i flera årtionden. Under 2000-talet gjorde framsteg inom datormodellering och materialvetenskap det möjligt att se hur BAs skulle kunna användas som värmeledare.

År 2013 gjorde Boston College-fysikern David Broido en djärv förutsägelse om att BAs skulle kunna överträffa diamantens värmeledningsförmåga. Hans beräkningar visade att materialet med trefononspridning kunde nå 2 200 W/m·K vid rumstemperatur.

År 2015 tog professor Zhifeng Ren vid University of Houston idén vidare när hans grupp odlade och testade BAs-kristaller i laboratoriet. I försöken uppnådde en enkristall en värmeledningsförmåga på 1 500 W/m·K vid rumstemperatur.

Resultatet placerade BAs på andra plats strax efter diamant. Det inspirerade också till fortsatt forskning om materialet och om hur man skulle kunna nå det optimala värdet 2 200 W/m·K vid rumstemperatur som Broido hade förutsagt.

Utmaningar med att framställa högrent BAs

BAs har sedan dess studerats som värmeledare. Förändringar i fononspridningsmetoderna och andra problem gjorde dock att resultaten sjönk till omkring 1 300 W/mK. En ny studie har nu visat vad som orsakade begränsningarna och hur de kan minskas.

Studien om borarsenid

Studien Borarsenids värmeledningsförmåga över 2 100 W per meter och kelvin vid rumstemperatur¹, publicerad i Materials Today, visar hur ingenjörerna uppnådde en hittills oöverträffad värmeledningsförmåga på 2 100 W/m·K i enkristaller av borarsenid vid rumstemperatur.

Vad var problemet?

Beräkningarna stämde, men experimenten motsvarade inte förväntningarna. Ingenjörerna omprövade därför de centrala komponenterna och metoden för att hitta förbättringsmöjligheter. En viktig orsak till den förlorade ledningsförmågan visade sig vara föroreningar.

Källa – Materials Today

I isotropa material följer värmen materialets kristallografiska banor. Under optimala förhållanden ger dessa banor en obehindrad transport. Ingenjörerna såg dock att kristallerna i tidigare försök hade flera defekter som försämrade prestandan och började därför odla så rent BAs som möjligt.

Så odlas BAs utan föroreningar

För att lyckas utformade gruppen om processen från grunden. Den började med ultraren arsenik, som sedan genomgick en syntes i fyra steg för att minska föroreningarna ytterligare.

Nästa steg var att rengöra ett kvartsrör grundligt. Ingenjörerna använde vanliga rengöringsprocesser från halvledarindustrin med flera ultraljudstvättar i bland annat aceton, etanol och avjoniserat vatten. Därefter torkades röret i ugn så att all kvarvarande fukt försvann.

Sedan användes genomfallande ljus för att undersöka värmeledningsförmåga och föroreningar. De enskilda kristallerna hade omedelbart en betydligt lägre koncentration av punktdefekter än vid tidigare försök.

Hur forskarna mätte BAs värmeledningsförmåga

Forskarna mätte kristallernas värmeledningsförmåga med flera mycket precisa metoder. Först användes tidsdomänbaserad termoreflektans (TDTR). För att säkerställa noggrannheten belades kristallerna med ett 100 nanometer tjockt aluminiumskikt genom elektronstråleförångning.

Därefter användes Ramanspektroskopi för att hitta kvarvarande föroreningar. Genom att kombinera resultaten fick gruppen en korrekt helhetsbild av materialets styrkor och svagheter. Fyndet skulle komma att förändra forskningen om värmedynamik.

Rekordbrytande resultat för värmeledningsförmåga

Svep för att rulla →

Testerna visade att BAs kan nå samma värmeledningsförmåga som diamant. Forskarna mätte 2 100 W/mK vid rumstemperatur. Ramanspektrumen gjorde det dessutom möjligt att observera ett T−1,8-beroende, vilket öppnar för fortsatt forskning och bättre prestanda.

Ingenjörerna konstaterade att en modifierad teoretisk beräkning gör det möjligt att anpassa processen så att trefononspridning används för fononer i intervallet 4–8 THz i stället för den fyrfononspridning som är vanlig i dag. Med metoden kunde gruppen registrera temperaturberoendet mellan 300 och 400 K.

Fördelar med borarsenid

Arbetet erbjuder många fördelar. Det kan göra morgondagens högteknologiska produkter betydligt mer tillgängliga och prisvärda. Diamant är dyrt och sällsynt, medan BAs kan framställas efter behov. Materialet är dessutom lättare att tillverka och integrera.

Borarsenid som halvledarmaterial

Ett oväntat fynd var att BAs fungerar som en överlägsen halvledare. Det framställda materialet överträffade kisel inom flera viktiga kategorier. Det har bättre ledningsförmåga och laddningsbärarrörlighet, gynnsam värmeutvidgning och stöd för ett bredare bandgap.

En ny era inom termisk materialvetenskap

Arbetet visar varför forskare ständigt måste tänja på gränserna. I årtionden var diamant den obestridda ledaren inom värmeledningsförmåga. Nu måste hela forskarvärlden ompröva sina teorier, vilket skapar utrymme för framsteg som tidigare ansågs omöjliga.

Borarsenids praktiska tillämpningar och tidslinje

Arbetet har många möjliga användningsområden. Studien kommer att förändra tillverkarnas syn på värmehantering. Om materialet konsekvent kan syntetiseras billigare och bli mer tillgängligt än diamantalternativ öppnas vägen för nästa generations värmehanteringsmaterial och elektronik. Några möjliga tillämpningar följer nedan.

Högpresterande elektronik

Föreställ dig att ha en bärbar dator i knät hela dagen utan störande värme. De starkt värmeledande barriärerna kan inleda en ny era för högteknologi och bärbar elektronik. Enheter kan bli snabbare och kraftfullare utan ytterligare kylsystem.

Elfordon (EV) och kraftelektronik

Användning av BAs som värmeledare kan förbättra elfordons prestanda avsevärt. Materialet kan göra fordon lättare och säkrare och därmed indirekt ge längre räckvidd per laddning. Strategin kan dessutom sänka kostnaderna för elfordon i framtiden.

Datacenter

Datacenter blir sannolikt bland de första att dra nytta av tekniken. Efterfrågan på dessa enorma system växer när AI-marknaden expanderar i rekordtakt. Lösningen får därför en direkt inverkan på AI-sektorns kapacitet, prestanda och driftskostnader.

Tidslinje för borarsenid

Konsumenter kan få se denna typ av värmebeläggning i sin elektronik inom 7–10 år. Militär och annan specialiserad högteknik kan få tillgång inom fem år eller tidigare. Lägre tillverkningskostnader och bättre tillgänglighet bör förkorta införandetiden betydligt.

Forskarna bakom borarsenidstudien

Studien Borarsenids värmeledningsförmåga över 2 100 W per meter och kelvin vid rumstemperatur var ett samarbete mellan flera framstående institutioner, däribland University of California Santa Barbara, Boston College och University of Houston.
Artikeln anger professor Zhifeng Ren samt Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido och Ying Peng som medverkande forskare.

Framtida forskningsinriktningar för BAs‑material

Det krävdes många års arbete att nå denna viktiga milstolpe, och gruppen väntas fortsätta förbättra BAs:s värmeledningsförmåga. Framöver kommer forskarna också att undersöka andra material som kan ge jämförbara eller bättre resultat.

Investera i grafittillverkning

Många företag tillverkar värmeledande beläggningar. De är avgörande för dagens högteknologi, transporter och industri. Följande företag har spelat en viktig roll på marknaden genom banbrytande arbete och produkter.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI ) grundades 2019. Den malaysiska grafittillverkaren levererar anodmaterial och andra viktiga råvaror till marknaderna för elfordon, elektronik och kommunikationssystem.

Företaget har varit en pionjär på marknaden och har strategiska samarbeten med MIT, University of Manchester och många andra aktörer som vill utveckla dess unika hållbara metod.

Graphjet Technology skiljer sig från konkurrenterna genom sitt starka hållbarhetsfokus. Det är världens första tillverkare som har utvecklat en industriell process för att omvandla jordbruksavfall i form av återvunna palmkärnsskal till grafit av batterikvalitet.

Företagets anläggning i Malaysia producerar högren syntetisk grafit, enkelskiktsgrafen och andra viktiga material. Anläggningen kan årligen omvandla 9 000 ton avfall till 3 000 ton grafit. Processen släpper dessutom bara ut 2,95 kg CO₂ per kg grafit, vilket gör den 83 procent renare än alternativen.

Dessa faktorer fortsätter att öka investerarnas intresse för Graphjet Technology. Den som söker ett innovativt och hållbart tillverkningsbolag bör undersöka Graphjets aktie närmare.