Boron Arsenid, Isı Transferinde Elması Geride Bıraktı

Houston Üniversitesi mühendislerinin öncülük ettiği uluslararası bir bilim insanı ekibi, ısı iletkenliği konusunda uzun süredir kabul gören bir teorinin yanlış olduğunu kanıtladı. Çalışmaları malzeme biliminin sınırlarını daha da ileri taşıdı ve önümüzdeki aylarda buna bağlı birçok atılıma ilham verebilir. Bu nedenle bilim dünyasında önemli bir dönüm noktası olarak görülüyor. İşte bilmeniz gerekenler.

Modern Elektroniklerde Isı İletkenliğinin Önemi

Bu atılımın önemini kavramak için termal bariyer kaplamaların günümüz teknolojisindeki kritik rolünü anlamak gerekir. Genellikle metal bileşenlere uygulanan bu kaplamalar, hayati parçaların ısıya maruz kalmasını azaltmaya yardımcı olur.

Oluşturdukları ısı iletim bariyeri günümüz motorlarını daha dayanıklı, bilgisayarları daha hızlı hâle getirir ve birçok sanayi kolunda önemli bir rol oynar. Bu yüzden söz konusu yüzeyleri geliştirmeye yönelik araştırmalar aralıksız sürmektedir. Sentetik malzemelerde pek çok ilerleme sağlanmış olsa da hiçbiri doğayla rekabet edememiştir.

Elmaslar

Elmaslar onlarca yıldır ısı iletiminde en iyi izotropik malzeme olarak kabul edilir. İzotropik malzemeler, ısıyı tüm kristalografik yönlerde eşit biçimde dağıtmalarıyla öne çıkar. Elmaslar, güçlü kovalent karbon-karbon bağları da dâhil olmak üzere birkaç temel nedenle ısı transferinde son derece başarılıdır.

Elmasın Isı İletkeni Olarak Sınırlamaları

Elmas termal kaplamaların kullanımı bazı sorunları beraberinde getirir ve araştırmacıları başka malzemeler aramaya yöneltir. Öncelikle elmaslar diğer izotropik malzemelerden daha pahalıdır. Ayrıca işlenmeleri zor olabilir.

Bu sınırlamalara rağmen hızlı ısı dağıtımının kritik olduğu alanlarda elmas kullanılmaya devam ediyor. Ancak giderek daha fazla mühendis, sentetik malzemelerle elmasın performansının aşılabileceğine inanıyor. Son dönemde daha fazla ilgi gören malzemelerden biri de bor arsenürdür.

Bor Arsenür (BAs)

Bor arsenür (BAs), bilim insanlarının bor ve arseniği başarıyla sentezlediği 1959 yılında ortaya çıktı. Bu ilk deneyler 2000’li yıllara kadar uzun süre rafa kaldırıldı. Ardından bilgisayar modellemesi ve malzeme bilimindeki ilerlemeler, BAs’ın olası bir ısı iletkeni olarak nasıl kullanılabileceğini görmeyi mümkün kıldı.

Boston College fizikçisi David Broido ancak 2013’te BAs’ın ısı iletkenliğinde elması geride bırakabileceğini öngören çarpıcı bir tahminde bulundu. Hesaplamalarla, malzemenin üç fononlu saçılma yaklaşımı kullanılarak oda sıcaklığında 2.200 W/m·K ısı iletkenliğine ulaşabileceğini gösterdi.

Houston Üniversitesi Profesörü Zhifeng Ren, 2015’te ekibiyle laboratuvarda BAs kristalleri yetiştirip test ederek bu fikri daha ileri taşıdı. Yaptığı deneylerde tek kristalde oda sıcaklığında 1.500 W/m·K ısı iletkenliği elde etti.

Bu değer, BAs’ı ısı iletkenliği bakımından elmasın hemen arkasında ikinci sıraya yerleştirdi. Ayrıca malzeme üzerine yeni araştırmalara ve Broido’nun yıllar önce öngördüğü oda sıcaklığındaki 2.200 W/m·K düzeyine ulaşma çalışmalarına ilham verdi.

Yüksek Saflıkta BAs Elde Etmede Karşılaşılan Zorluklar

O tarihten beri BAs’ın ısı iletkeni olarak kullanımı üzerine çalışmalar yürütülüyor. Ancak fonon saçılma stratejilerindeki değişiklikler ve başka sorunlar nedeniyle elde edilen sonuçlar yaklaşık 1.300 W/mK düzeyine geriledi. Neyse ki yakın tarihli bir çalışma, bu sınırlamaların nedenini ve nasıl azaltılabileceklerini ortaya koydu.

Boron Arsenid Çalışması

Bilimsel dergi Materials Today’de yayımlanan Oda sıcaklığında metre-kelvin başına 2.100 W’ın üzerinde bor arsenür ısı iletkenliği¹ başlıklı çalışma, mühendislerin bor arsenür tek kristallerinde oda sıcaklığında benzeri görülmemiş 2.100 W/m·K ısı iletkenliğini nasıl elde ettiğini açıklıyor.

Problem Ne İdi?

Mühendislerin belirttiği gibi hesaplamalar doğruydu, ancak deneyler beklentileri karşılamıyordu. Bunun üzerine iyileştirme yapılabilecek noktaları bulmak için temel bileşenleri ve yöntemi yeniden değerlendirdiler. İletkenlik kaybının başlıca nedenlerinden birinin safsızlıklar olduğunu saptadılar.

Kaynak – Materials Today

İzotropik malzemelerde ısı aktarımı, malzemenin kristalografik yollarını izler. İdeal koşullarda bu yollar ısının sorunsuz ilerlemesini sağlar. Ancak mühendisler önceki deneylerde kullanılan kristallerde performansı düşüren çeşitli kusurlar bulunduğunu belirledi. Bunun üzerine mümkün olan en saf BAs kristallerini yetiştirmeye koyuldular.

Safsızlık Olmadan BAs Nasıl Yetiştirilir?

Bu hedefe ulaşmak için süreci baştan tasarladılar. Önce ultra saf arsenik kullandılar. Ardından malzemeyi safsızlıkları daha da azaltan dört aşamalı bir sentezden geçirdiler.

Sonraki adımda bir kuvars tüpü tamamen temizlediler. Mühendisler aseton, etanol ve deiyonize su gibi çeşitli maddelerle birden fazla ultrasonik temizlik içeren standart yarı iletken temizleme süreçlerini kullandı. Ardından tüp, kalan nemi gidermek için fırında kurutuldu.

Daha sonra mühendisler, ısı iletkenliğini ve safsızlıkları kontrol etmek için iletilen ışığı kullandı. Tek tek kristallerdeki noktasal kusur yoğunluğunun önceki denemelere kıyasla önemli ölçüde daha düşük olduğunu hemen gördüler.

Araştırmacılar BAs Isı İletkenliğini Nasıl Ölçtü?

Bilim insanları kristallerin ısı iletkenliğini son derece hassas birkaç yöntemle ölçtü. Ekip ilk olarak ısı iletkenliğini kaydetmek için zaman alanı termoyansıtma (TDTR) yöntemini kullandı. Bu testte doğruluğu sağlamak amacıyla kristaller, elektron ışınıyla buharlaştırma yöntemi kullanılarak 100 nm kalınlığında bir Al dönüştürücü katmanla kaplandı.

Ardından ekip, kristallerde kalan safsızlıkları belirlemek için Raman spektroskopisinden yararlandı. Verileri birleştirerek malzemenin yetenekleri ve eksiklikleri hakkında doğru bir genel görünüm elde etti. Ortaya çıkan bulgular, bundan sonra termal dinamikleri değiştirecekti.

Rekor Düzeyde Isı İletkenliği Sonuçları

Kaydırmak için sürükleyin →

Ekibin testi, BAs’ın elmas düzeyinde ısı iletkenliğine ulaşabildiğini kanıtladı. Bilim insanları oda sıcaklığında 2.100 W/mK değerini kaydetti. Raman spektrumları ayrıca mühendislerin T−1,8 bağımlılığını gözlemlemesini sağlayarak yeni araştırmaların ve performans iyileştirmelerinin önünü açtı.

Mühendisler, değiştirilmiş bir teorik hesaplamayla sürecin günümüzde yaygın kullanılan dört fononlu saçılma yerine 4–8 THz aralığındaki fononlar için üç fononlu saçılmadan yararlanacak şekilde ayarlanabileceğini belirtti. Ekip bu yaklaşımla 300 ile 400 K arasındaki sıcaklık bağımlılığını kaydetmeyi başardı.

Bor Arsenürün Avantajları

Bu çalışma piyasaya birçok fayda sunuyor. Öncelikle geleceğin ileri teknoloji cihazlarının çok daha erişilebilir ve uygun maliyetli olmasının önünü açıyor. Elmas pahalı ve nadirken BAs talebe göre üretilebilir. Üstelik üretimi ve sistemlere entegrasyonu daha kolaydır.

Yarı İletken Malzeme Olarak Bor Arsenür

Beklenmedik bulgulardan biri, BAs’ın üstün bir yarı iletken gibi davranmasıydı. Testler, üretilen BAs’ın birkaç temel kategoride silisyumu geride bıraktığını ortaya koydu. Malzeme özellikle daha iyi iletkenlik ve taşıyıcı hareketliliği sunuyor, daha düşük termal genleşme gösteriyor ve daha geniş bir bant aralığını destekleyebiliyor.

Termal Malzeme Biliminde Yeni Bir Çağa İlham Vermek

Bu çalışma, bilim insanlarının daha iyi sonuçlara ulaşmak için neden sürekli sınırları zorlaması gerektiğini gösteriyor. Elmaslar onlarca yıl boyunca ısı iletkenliğinin tartışmasız lideriydi. Şimdi ise tüm bilim dünyasının teorilerini yeniden değerlendirmesi gerekiyor; bu da daha önce imkânsız sayılan ilerlemelere alan açıyor.

Bor Arsenürün Gerçek Dünya Uygulamaları ve Zaman Çizelgesi

Bu çalışmanın pek çok uygulama alanı bulunuyor. Araştırma, üreticilerin termal yönetim anlayışını değiştirecek. Bu malzeme elmas alternatiflerinden daha düşük maliyetle ve daha bol biçimde sürekli üretilebilirse yeni nesil ısı yönetimi malzemelerinin ve elektronik cihazların önünü açabilir. Olası uygulamalardan bazıları şunlardır.

Yüksek Güçlü Elektronikler

Dizüstü bilgisayarınızı ısıdan rahatsız olmadan bütün gün kucağınızda tuttuğunuzu hayal edin. Isıyı son derece iyi ileten bu bariyerlerin kullanılması, ileri teknoloji ve taşınabilir elektronikte yeni bir dönemi başlatabilir. Cihazlar ek soğutma sistemi desteğine ihtiyaç duymadan daha hızlı ve güçlü olabilir.

Elektrikli Araçlar (EV’ler) ve Güç Elektroniği

BAs’ın ısı iletkeni olarak kullanılması, elektrikli araç pazarında önemli performans artışları sağlayabilir. Bu malzemeler üreticilerin araçları daha hafif ve güvenli hâle getirmesine yardımcı olabilir. Böylece araçlar tek şarjla dolaylı olarak daha uzun menzile ulaşabilir. Bu strateji gelecekte elektrikli araç maliyetlerini de düşürebilir.

Veri Merkezleri

Veri merkezleri bu teknolojinin faydalarını ilk gören alanlardan biri olacak. Yapay zekâ pazarındaki rekor büyüme nedeniyle bu dev ekosistemlere talep çok yüksek. Dolayısıyla teknoloji, yapay zekâ sektörünün yetenekleri, performansı ve işletme giderleri üzerinde doğrudan etki yaratacak.

Bor Arsenür Zaman Çizelgesi

Tüketiciler bu tür ısı kaplamalarını önümüzdeki 7–10 yıl içinde elektronik cihazlarında görebilir. Ancak askerî ve diğer özel ileri teknoloji uygulamaları bu malzemelere beş yıl içinde, hatta daha erken erişebilir. Üretiminin çok daha ucuz ve malzemenin daha erişilebilir olması, entegrasyon süresini önemli ölçüde kısaltacaktır.

Bor Arsenür Araştırmacıları

Oda sıcaklığında metre-kelvin başına 2.100 W’ın üzerinde bor arsenür ısı iletkenliği çalışması; California Üniversitesi Santa Barbara, Boston College ve Houston Üniversitesi dâhil olmak üzere birçok saygın kurumun araştırmacılarını bir araya getiren ortak bir çalışmaydı.

Makalede çalışmaya katkıda bulunanlar arasında Profesör Zhifeng Ren ile Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido ve Ying Peng yer alıyor.

BAs Malzemeleri İçin Gelecekteki Araştırma Yönleri

Bu önemli dönüm noktasına ulaşmak için yıllar süren çalışma gerektiği düşünüldüğünde, ekibin BAs’ın ısı iletkenliğini artırma yolculuğunu sürdüreceği tahmin ediliyor. Gelecekte karşılaştırılabilir veya daha iyi sonuçlar verebilecek başka malzemelerin kullanımını da inceleyecekler.

Grafit Üretimine Yatırım

Isı ileten kaplamalar üreten birçok şirket bulunuyor. Bu şirketler günümüzün ileri teknoloji, ulaşım ve sanayi sektörleri için kritik öneme sahip. İşte öncü çalışmaları ve ürünleriyle pazarda önemli rol oynayan şirketlerden biri.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI ) 2019 yılında faaliyete başladı. Malezyalı grafit üreticisi, günümüzün elektrikli araç pazarı ile elektronik ve iletişim sistemlerine anot malzemesi ve başka kritik malzemeler sağlıyor.

Şirket, çeşitli nedenlerle pazarda öncü konuma geldi ve sürdürülebilir yaklaşımını geliştirmek isteyen MIT, Manchester Üniversitesi ve başka birçok kurumla stratejik ortaklıklar kurdu.

Graphjet Technology rakiplerinden birçok açıdan ayrılıyor. Şirket sürdürülebilirliği faaliyetlerinin merkezine koyuyor. Geri dönüştürülmüş palmiye çekirdeği kabukları biçimindeki tarımsal atıkları pil sınıfı grafite dönüştüren endüstriyel ölçekli bir süreç geliştiren dünyadaki ilk üreticidir.

Şirketin Malezya’daki tesisi yüksek saflıkta yapay grafit, tek katmanlı grafen ve başka temel malzemeler üretiyor. Tesis yılda 9.000 metrik ton atığı 3.000 metrik ton grafite dönüştürebiliyor. Ayrıca kilogram grafit başına yalnızca 2,95 kg CO2 salarak alternatiflerinden %83 daha temiz bir üretim gerçekleştiriyor.

Tüm bu unsurlar yatırımcıların Graphjet Technology’ye ilgisini artırmaya devam ediyor. Yenilikçi ve sürdürülebilir bir üretim hissesine yatırım yapmak isteyenler Graphjet hisseleri hakkında daha fazla araştırma yapmalıdır.