钻石王座被撼动？“绝妙”新材料打破导热性能纪录

休斯顿大学

科学家们推翻了人们长期以来对导热性的假设，发现砷化硼晶体的导热性能甚至比金刚石还要好。

休斯顿大学的研究人员在导热性方面取得了重大突破，挑战了人们对砷化硼 (BA) 及其与金刚石相比的导热能力的长期假设。

他们的实验表明，当以高质量晶体形式生产时，砷化硼在室温下的热导率可以达到每米每开尔文 2100 瓦 (W/mK) 以上，可能超过金刚石，而金刚石长期以来一直被认为是各向同性材料中最有效的导热体。

这项发表在《今日材料》（Materials Today）上的研究成果，对现有的科学模型提出了质疑，并可能彻底改变人们对导热材料的理解。该发现也为开发能够显著提升智能手机、高性能电子产品和大型数据中心散热性能的先进半导体材料铺平了道路。

“我们相信我们的测量结果；我们的数据是正确的，这意味着理论需要修正，”通讯作者、休斯顿大学自然科学与数学学院物理系教授任志峰说。“我并不是说理论是错误的，而是需要进行调整以使其与实验数据相符。”

打破障碍

这项研究是休斯顿大学享誉全球的德克萨斯超导中心（由任教授领导）与加州大学圣巴巴拉分校和波士顿学院的研究人员合作完成的。

过去十年间，人们一直认为合成材料砷化硼的热导率可以媲美甚至超越钻石，即高效散热的能力。2013年，波士顿学院物理学家大卫·布罗伊多（David Broido，该研究的合著者）等人预测，砷化硼晶体可以达到这一水平。

但据任教授称，到 2017 年，修订后的模型增加了四声子散射（比之前使用的三声子模型更复杂的过程），将 BA 的上限限制在 1,360 W/mK，导致大多数研究人员放弃了在未来实验中获得更高热导率的可能性。

然而，任教授及其同事认为，使用纯度更高的原料可以提高导热系数，因为样品中存在许多缺陷，其导热系数约为1300 W/mK。这些预测是基于完美的BAs晶体，而科学家们使用存在大量缺陷的样品，成功地通过实验达到了预测的导热系数。

通过提纯原砷并改进合成技术，该团队生产出了更纯净的晶体，其导热系数超过 2100 W/mK，并由此创造了破纪录的导热系数，超过了理论预期。

为什么这很重要

这项发现使BA材料成为电子和热管理领域潜在的颠覆性技术。它不仅在导热性能上超越了金刚石，而且作为半导体材料，其性能也优于目前的行业标准——硅。

砷化硼的主要优点包括：

与钻石相比，它的制造更容易、更便宜，而且无需极端温度和压力。

它不仅是优良的热导体，而且也是一种高效的半导体。

由于其具有高导热性、更宽的带隙、更高的电子和空穴载流子迁移率以及匹配良好的热膨胀系数等特性，因此它具有比硅更好的半导体性能的潜力。

“这种新材料太棒了，”任教授说。“它兼具优秀半导体和优秀导热体的所有优点——各种优良特性都集中在一种材料上。这在其他半导体材料中从未出现过。”

展望未来

尽管取得了突破性进展，但这项工作远未结束。德克萨斯超导中心的研究人员将继续改进他们的材料，希望能够进一步提高BA的热导率。

这项研究是加州大学圣巴巴拉分校廖博林（Bolin Liao）领导的一项由美国国家科学基金会资助的280万美元项目的一部分，休斯顿大学、圣母大学和加州大学尔湾分校也参与其中。工业赞助商Qorvo也为休斯顿大学的研究工作提供了部分支持。

任教授邀请理论家们重新审视热导率模型，突破理论极限，未来或许能够开发出更好的材料。

“你不应该让一个理论阻止你发现更伟大的东西，而这正是这项研究中发生的事情，”任说。