Αυτό το υλικό «καίει» το διαμάντι: Νέο ρεκόρ στην αγωγιμότητα

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον (University of Houston - UH) ανακοίνωσαν ένα σημαντικό επιστημονικό επίτευγμα που επαναπροσδιορίζει τους κανόνες της αγωγιμότητας. Τα νέα ευρήματα ανατρέπουν μακροχρόνιες υποθέσεις για τη θερμική αγωγιμότητα και αποκαλύπτουν ότι το Αρσενίδιο του Βορίου (Boron Arsenide - BAs) μπορεί να άγει τη θερμότητα πιο αποτελεσματικά από το διαμάντι, το οποίο θεωρούνταν μέχρι σήμερα το απόλυτο πρότυπο μεταξύ των ισοτροπικών υλικών.

Η ανακάλυψη αυτή, που δημοσιεύτηκε στο Materials Today, δείχνει ότι, όταν οι κρύσταλλοι BAs παράγονται με εξαιρετική καθαρότητα, μπορούν να φτάσουν σε τιμές θερμικής αγωγιμότητας άνω των 2.100 W/mK σε θερμοκρασία δωματίου, ξεπερνώντας πιθανότατα το ίδιο το διαμάντι.

Η καθαρότητα «έσπασε» τα θεωρητικά όρια

Η επιστημονική κοινότητα είχε ενδιαφερθεί για το αρσενίδιο του βορίου από το 2013, όταν οι θεωρητικές προβλέψεις έδειχναν ότι θα μπορούσε να είναι εξίσου ή και πιο αποτελεσματικό από το διαμάντι. Ωστόσο, νεότερα μοντέλα (2017) είχαν μειώσει την εκτιμώμενη απόδοσή του στα 1.360 W/mK, ωθώντας πολλούς ερευνητές να εγκαταλείψουν την ιδέα.

Η ομάδα του καθηγητή Φυσικής Zhifeng Ren του UH, ωστόσο, υπέθεσε ότι το πρόβλημα δεν ήταν η εγγενής ικανότητα του υλικού, αλλά οι ατέλειες και οι προσμείξεις στα δείγματα. Οι προηγούμενες πειραματικές μετρήσεις έδειχναν αγωγιμότητα γύρω στα 1.300 W/mK, πολύ χαμηλότερη από ό,τι προέβλεπαν οι ιδανικές θεωρητικές συνθήκες.

Μέσω της βελτίωσης της επεξεργασίας του αρσενικού και των μεθόδων σύνθεσης, η ομάδα κατάφερε να δημιουργήσει κρυστάλλους BAs με σημαντικά λιγότερες ατέλειες. Όταν δοκιμάστηκαν, αυτά τα δείγματα υψηλής καθαρότητας έδειξαν την εκπληκτική θερμική αγωγιμότητα πάνω από 2.100 W/mK, ξεπερνώντας όχι μόνο τα παλαιότερα πειραματικά αποτελέσματα, αλλά και το ίδιο το θεωρητικό «ταβάνι».

Οι επιπτώσεις αυτής της ανακάλυψης είναι τεράστιες για τη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Το αρσενίδιο του βορίου αναδεικνύεται ως ένας πολλά υποσχόμενος νέος τύπος ημιαγωγού για συσκευές που απαιτούν προηγμένη διαχείριση θερμότητας, όπως τα smartphones, τα ηλεκτρονικά υψηλής ισχύος και τα data centers.

Τα βασικά του πλεονεκτήματα, σε σύγκριση με το διαμάντι και τη σιλικόνη, περιλαμβάνουν:

• Ευκολότερη και οικονομικότερη παραγωγή από το διαμάντι.

• Συνδυασμός εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας και συμπεριφοράς ημιαγωγού υψηλής ποιότητας.

• Πιθανώς ανώτερη ηλεκτρονική απόδοση σε σχέση με τη σιλικόνη, λόγω της υψηλής κινητικότητας των φορέων και του ευρέος ενεργειακού χάσματος.

«Αυτό το νέο υλικό είναι υπέροχο», σημείωσε ο Ren. «Έχει τις καλύτερες ιδιότητες ενός καλού ημιαγωγού και ενός καλού θερμικού αγωγού – όλες τις καλές ιδιότητες σε ένα μόνο υλικό. Αυτό δεν έχει συμβεί ποτέ σε άλλα υλικά ημιαγωγών».

Οι ερευνητές, μέρος ενός ερευνητικού έργου ύψους 2,8 εκατομμυρίων δολαρίων, προτρέπουν τώρα τους επιστήμονες να επανεξετάσουν τα υπάρχοντα μοντέλα, τονίζοντας ότι «Δεν πρέπει να επιτρέπεις σε μια θεωρία να σε εμποδίζει να ανακαλύψεις κάτι ακόμα μεγαλύτερο, και αυτό ακριβώς συνέβη σε αυτή την εργασία».

*Με πληροφορίες από sciencedaily.com

Διαβάστε επίσης