Cientistas da UCLA, pela primeira vez, realizou experimentalmente um novo cristal único composto, arsenieto de boro (BAs) e explorou seu limite de condutividade térmica quando os cristais estão livres de defeitos. Eles observaram a maior condutividade térmica isotrópica, 1300 W / mK, além de todos os metais comuns e semicondutores. Este estudo estabeleceu um novo benchmark de materiais térmicos que podem potencialmente revolucionar as tecnologias de gerenciamento térmico em eletrônica e fotônica. Este trabalho é relatado no artigo "Observação Experimental de Alta Condutividade Térmica em Arseneto de Boro, "publicado online esta semana em Ciência .

Os pesquisadores desenvolveram um material semicondutor termicamente ultracondutor que pode reduzir drasticamente a temperatura de aquecimento e remover com eficiência o calor residual gerado por computadores e outros dispositivos eletrônicos ou fotônicos. É mais eficaz em extrair calor dos pontos de acesso do que qualquer outro semicondutor ou metal e pode revolucionar os paradigmas de tecnologia atuais para gerenciamento térmico de eletrônicos. O estudo foi conduzido pelo professor Yongjie Hu de engenharia mecânica e aeroespacial, e todos os outros autores são alunos de graduação da UCLA do grupo de pesquisa de Hu (H-Lab):Joonsang Kang, Man Li, Huan Wu, e Huuduy Nguyen.

Os computadores aquecem porque os elétrons que viajam através dos processadores e circuitos geram calor à medida que se movem, por exemplo, sua interação com treliças. O calor degrada o desempenho da computação, portanto, evitar que os processadores do computador esquentem muito é o motivo dos smartphones terem dissipador de calor, ou por que os desktops têm ventiladores para soprar o ar quente. Grandes data centers com milhares de computadores requerem muita energia adicional para seus sistemas de refrigeração de alta tecnologia.

Como os processadores de computador continuaram encolhendo para tamanhos onde bilhões de transistores estão em um único chip, o calor tem se tornado cada vez mais um fator importante em seu desempenho. Se essas CPUs não esquentaram tanto em primeiro lugar, então, muito menos energia seria necessária para mantê-los frios. Gerenciar esse calor é um dos maiores obstáculos para novos dispositivos, como processadores de computador ou LEDs.

Com esse objetivo em mente, a equipe da UCLA começou a desenvolver um material semicondutor que é muito melhor no gerenciamento do calor do que os materiais atuais de melhor desempenho.

Esta equipe da UCLA relatou pela primeira vez, a realização experimental de arseneto de boro livre de defeitos com a maior condutividade térmica (1300 W / mK) entre todos os materiais semicondutores e metais comuns. O calor que se concentra em pontos quentes em chips de computador é rapidamente dissipado e eliminado por causa de suas propriedades estruturais e térmicas exclusivas. O novo material é três vezes mais condutor do que o carboneto de silício e o cobre, os melhores materiais atualmente em uso na indústria de gerenciamento de calor.

"Este é um trabalho muito desafiador que requer experiência altamente multidisciplinar de síntese precisa de materiais, caracterizações estruturais abrangentes, para medições precisas de transporte térmico e cálculos teóricos, "diz Yongjie Hu, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da UCLA. "Meu grupo tem se dedicado a esse esforço nos últimos anos, desde que entrei para o corpo docente da UCLA e estamos muito felizes que nosso trabalho árduo valeu a pena. O resultado estabeleceu uma plataforma de material térmico de referência para muitas oportunidades, tanto na ciência fundamental como nas aplicações . "

Este estudo também revela importantes aspectos físicos dos mecanismos de transporte térmico. Propriedades térmicas em sólidos podem ser descritas pelas interações de fônons, ou seja, os modos de mecânica quântica de vibrações de rede. Por muitas décadas, os teóricos consideram que o processo de três fônons governa o transporte térmico, e os efeitos dos quatro fônons e dos processos de ordem superior eram considerados insignificantes, que na verdade é o caso para a maioria dos materiais comuns. Este estudo tem um impacto significativo no campo da teoria ao mostrar que a anarmonicidade de alta ordem por meio do processo de quatro fônons dá uma contribuição importante em monocristais BAs livres de defeitos. A conclusão foi apoiada por sua medição experimental, em comparação com cálculos ab initio de grupos de pesquisa independentes e do grupo de Hu. Além disso, o estudo investigou a física do transporte térmico balístico e explicou a origem da condutividade térmica ultra-alta dos BAs devido aos seus longos percursos livres médios de fônons.

“Esta conquista e comemoração devem ir para todo o campo, "Hu disse." Há muitos outros grupos de pesquisa líderes fazendo progresso em direção a essa meta. Em particular, este sucesso exemplifica o poder de combinar experimentos e a teoria ab initio na descoberta de novos materiais, e acredito que essa abordagem continuará a expandir as fronteiras científicas na descoberta de novos materiais para muitas áreas, incluindo energia, eletrônicos, e aplicações fotônicas. "