Os cientistas sabem há muito tempo que o diamante é o melhor material para a condução de calor, mas tem desvantagens:é caro e é um isolante elétrico; quando emparelhado com um dispositivo semicondutor, diamante se expande em uma taxa diferente do que o dispositivo faz quando é aquecido.

Agora, um grupo de pesquisadores de todo os Estados Unidos relatou que um cristal crescido a partir de dois elementos minerais relativamente comuns - boro e arsênico - demonstra condutividade térmica muito maior do que qualquer outro semicondutor e metal atualmente em uso, incluindo silício, carboneto de silício, cobre e prata.

A descoberta tem o potencial de abordar uma série de desafios tecnológicos, incluindo resfriamento de dispositivos eletrônicos e nanodispositivos, disse o físico Zhifeng Ren, um pesquisador do Texas Center for Superconductivity da University of Houston e um dos autores correspondentes no artigo anunciando a descoberta, publicado quinta-feira, 5 de julho, no jornal Ciência .

A condutividade térmica é medida na unidade de Wm-1K-1, usado para denotar a quantidade de calor que pode passar por um material de um metro de comprimento quando a diferença de temperatura de um lado para o outro é de 1 grau Kelvin. O cristal de arseneto de boro tem uma condutividade superior a 1, 000 à temperatura ambiente, os pesquisadores relataram.

Cobre, por comparação, tem uma condutividade de cerca de 400; diamante tem uma condutividade térmica relatada de 2, 000

Esforços relatados anteriormente para sintetizar arsenieto de boro produziram cristais medindo menos de 500 micrômetros - muito pequenos para uma aplicação útil.

Mas os pesquisadores agora relataram o crescimento de cristais maiores que 4 milímetros por 2 milímetros por 1 milímetros. Um cristal maior poderia ser produzido estendendo o tempo de crescimento além dos 14 dias usados ​​para o experimento, eles disseram.

Trabalhando com Tom Reinecke no Naval Research Lab e Lucas Lindsay no Oak Ridge National Laboratory, David Broido, um físico teórico do Boston College e um dos autores do artigo, primeiro propôs que a combinação poderia produzir um cristal de alta condutividade térmica, desafiando a teoria convencional de que a condutividade térmica de rede ultra-alta só poderia ocorrer em cristais compostos de elementos leves fortemente ligados, limitado por processos anarmônicos de três fônons.

Este trabalho confirma a teoria, embora tenha demorado um pouco. Vários pesquisadores envolvidos na publicação atual, junto com Bing Lv, em seguida, um pesquisador da UH e agora um membro do corpo docente da Universidade do Texas-Dallas, relataram a síntese de um pequeno cristal com uma condutividade de cerca de 200 em 2015.

O trabalho subsequente no laboratório de Ren resultou no maior, cristal mais altamente condutivo relatado em Ciência .

Broido chamou a confirmação de um "exemplo da interação colaborativa entre a teoria, síntese e medição de materiais. O fato de isso ter sido realizado e a teoria confirmada é uma prova da persistência e habilidade das equipes de síntese e medição. "

Paul Ching-Wu Chu, T.L.L. Temple Chair of Science em UH e diretor fundador do Texas Center for Superconductivity, disse que combinar boro com arsênico era um desafio complexo.

"A incompatibilidade entre as propriedades físicas do boro e do arsênio torna a síntese de arseneto de boro extremamente difícil e os cristais únicos de arseneto de boro quase impossíveis, " ele disse.

Os pesquisadores criaram o cristal usando transporte químico de vapor, complicado pelo fato de que o boro tem um ponto de fusão de 2, 076 graus centígrados, enquanto o arsênico muda diretamente de sólido para gasoso.

Co-autor Shuo Chen, professor assistente de física no UH, disse que o cristal pode ser útil para resfriar dispositivos eletrônicos.

"A dissipação de calor é crucial para eletrônicos de alta densidade de potência, "ela disse." Portanto, materiais com alta condutividade térmica são necessários para servir como substratos em eletrônicos de alta densidade de potência. "

O potencial para um semicondutor com alta condutividade térmica é imenso, Chen disse.

"Usando pulsos de laser femto-segundo, fomos capazes de medir as condutividades térmicas dos cristais de arseneto de boro, "adicionou Bai Song, um associado de pós-doutorado orientado pelo Professor Gang Chen no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. "Essa alta condutividade térmica torna o arsenieto de boro atraente para aplicações microeletrônicas tanto como materiais de dispositivos quanto como materiais de dissipador de calor."

O projeto foi financiado pela Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar da Marinha dos EUA, liderado por Li Shi, professor de engenharia mecânica da Universidade do Texas em Austin.

Shi observou que os membros da equipe da UT-Austin e do MIT desenvolveram quatro métodos diferentes para validar o arsenieto de boro como o primeiro semicondutor conhecido com uma condutividade térmica de até 1000 Wm-1 K-1 à temperatura ambiente.

O próximo passo, ele disse, será "explorar tecnologias de dispositivos com os cristais a granel de arseneto de boro."