Houston Üniversitesi araştırmacıları, bor arsenidin (BA’lar) bir elmasın ısı iletimi ile rekabet edemeyeceği yönündeki mevcut teoriyi altüst eden termal iletkenlik konusunda bir keşifte bulundular.
Bunun yerine ekip, yüksek kaliteli kristallerin, oda sıcaklığında Kelvin başına metre başına 2.100 watt’ı (W/mK) aşan termal iletkenliğe ulaşabildiğini buldu; bu, izotropik malzemeler arasında en iyi ısı iletkeni olarak kabul edilen elmastan muhtemelen daha yüksektir.
Yayınlandığı yer Bugünün MalzemeleriBu araştırma mevcut teorilere meydan okuyor ve ısı ileten malzemelere ilişkin anlayışımızı yeniden şekillendirebilir. Ayrıca cep telefonlarında, yüksek güçlü elektronik cihazlarda ve veri merkezlerinde çok daha iyi termal yönetime sahip yeni bir yarı iletken malzeme ortaya çıkabilir.
UH Doğa Bilimleri ve Matematik Koleji Fizik Bölümü’nde ilgili yazar ve profesör olan Zhifeng Ren, “Ölçümlerimize güveniyoruz; verilerimiz doğru ve bu, teorinin düzeltilmesi gerektiği anlamına geliyor” dedi. “Teorinin yanlış olduğunu söylemiyorum ama deneysel verilerle tutarlı olması için bir ayarlama yapılması gerekiyor.”
Bariyeri kırmak
Çalışma, Ren tarafından yönetilen UH’nin Teksas Süperiletkenlik Merkezi ile Kaliforniya Üniversitesi, Santa Barbara ve Boston College’daki araştırmacılar arasındaki bir işbirliğiydi.
Geçtiğimiz on yılda, sentetik bir malzeme olan bor arsenürün, elmasın termal iletkenliğine veya ısıyı ürünlerden verimli bir şekilde uzaklaştırma yeteneğine rakip olacağı veya onu aşacağı teorik olarak ortaya atılmıştı.
2013 yılında, çalışmanın ortak yazarı Boston College fizikçisi David Broido ve diğerleri, BA kristallerinin bu seviyede performans gösterebileceğini öngördü.
Ancak Ren’e göre, 2017 yılına gelindiğinde, dört fonon saçılımı ekleyen revize edilmiş modeller (daha önce kullanılan üç fonon modellerinden daha karmaşık bir süreç), BA’ları 1.360 W/mK ile sınırlandırdı ve çoğu araştırmacının gelecekteki deneylerde daha yüksek termal iletkenlik potansiyelini göz ardı etmesine neden oldu.
Ancak Ren ve diğer araştırmacılar, daha yüksek saflığa sahip kaynak malzemelerin kullanılmasının termal iletkenliği artıracağına inanıyorlardı çünkü yaklaşık 1.300 W/mK’de termal iletkenlik gösteren numunelerde birçok kusur mevcuttu. Tahminler mükemmel BA kristallerine dayanıyordu ve bilim insanları, önemli kusurlara sahip örnekleri kullanarak deneysel olarak öngörülen ısı seviyesine ulaşmayı başardılar.
Ekip, ham arseniği saflaştırarak ve sentez tekniklerini geliştirerek, 2.100 W/mK’nin üzerinde termal iletkenlik ve bunlarla birlikte teorik beklentileri aşan rekor kıran termal iletkenlik gösteren daha temiz kristaller üretti.
Neden önemli?
Bu keşif, BA’ları elektronik ve termal yönetim alanında potansiyel bir oyun değiştirici olarak konumlandırıyor. Sadece ısı iletiminde elması aşmakla kalmıyor, aynı zamanda yarı iletken olarak mevcut endüstri standardı olan silikonu da geride bırakıyor.
Bor arsenürün temel avantajları şunlardır:
- Üretimi elmaslara göre daha kolay ve ucuz olduğundan aşırı sıcaklık ve basınç ihtiyacını ortadan kaldırır.
- Sadece olağanüstü bir termal iletken değil, aynı zamanda etkili bir yarı iletkendir.
- Yüksek termal iletkenlik, daha geniş bant aralığı, hem elektronlarda hem de deliklerde çok daha yüksek taşıyıcı hareketliliği ve uyumlu termal genleşme katsayısı gibi özellikleri nedeniyle silikondan daha iyi yarı iletken performans potansiyeline sahiptir.
Ren, “Bu yeni malzeme çok harika” dedi. “İyi bir yarı iletkenin ve iyi bir termal iletkenin en iyi özelliklerine sahip; tek bir malzemede her türlü iyi özellik var. Bu, diğer yarı iletken malzemelerde hiç olmadı.”
Bu ilerlemeye rağmen iş henüz bitmedi. Teksas Süperiletkenlik Merkezi araştırmacıları, BA’ların termal iletkenliğini daha da yükseğe çıkaracağını umdukları malzemelerini geliştirmeye devam edecekler.
Ren, teorisyenleri termal iletkenlik modellerini yeniden incelemeye ve teorik sınırların ötesine geçerek muhtemelen gelecekte daha iyi malzemelerin kilidini açmaya davet ediyor.
Ren, “Bir teorinin sizi daha da büyük bir şeyi keşfetmekten alıkoymasına izin vermemelisiniz ve bu, bu çalışmada da tam olarak gerçekleşti” dedi.
