ماده‌ای با رسانایی حرارتی بالاتر از الماس کشف شد

دانشمندان دانشگاه هیوستون با ساخت کریستال‌های بورون آرسنید، رکورد رسانایی حرارتی الماس را شکستند و مسیر تازه‌ای در فناوری تراشه‌ها گشودند.

 به گزارش تکناک، این ماده که «بورون آرسنید» نام دارد، می‌تواند جایگاه الماس را به‌عنوان رساناترین ماده شناخته‌شده جهان تغییر دهد. نتایج این تحقیق در نشریه Materials Today منتشر شده و به‌عنوان یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها در علم مواد و فیزیک حرارتی شناخته می‌شود.

بر اساس داده‌های به‌دست‌آمده از آزمایش‌ها، کریستال‌های باکیفیت بورون آرسنید توانستند در دمای معمولی به رسانایی حرارتی بیش از ۲۱۰۰ وات بر متر بر کلوین دست یابند. این عدد بالاتر از رسانایی حرارتی الماس است و نشان می‌دهد که ساختار اتمی این ماده می‌تواند گرما را با سرعتی بی‌سابقه جابه‌جا کند. این موضوع باعث شده پژوهشگران بسیاری، بورون آرسنید را به‌عنوان رقیب جدی الماس در زمینه انتقال حرارت در نظر بگیرند.

این کشف حاصل همکاری مرکز ابررسانایی تگزاس در دانشگاه هیوستون با چند مؤسسه علمی از جمله دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا و کالج بوستون است. پژوهشگران با بررسی دقیق ترکیب شیمیایی و نحوه تولید کریستال‌ها دریافتند که اگر مواد اولیه با خلوص بسیار بالا مورد استفاده قرار گیرد، ساختار بلوری بورون آرسنید می‌تواند کارایی خود را چندین برابر کند.

بیشتر بخوانید: انقلاب در خنک‌سازی تراشه‌ها؛ «پتوی الماس» استنفورد دمای ترانزیستور را ۷۰ درجه کاهش می‌دهد

در گذشته تصور می‌شد رسانایی حرارتی این ماده از مرز ۱۳۶۰ وات فراتر نمی‌رود. این عدد بر پایه مدل‌های نظری سال ۲۰۱۷ و با در نظر گرفتن فرآیند موسوم به «پراکندگی چهارفنون» محاسبه شده بود. با این حال، تیم دانشگاه هیوستون با تکیه بر فرضیه‌ای جدید توانست نشان دهد که محدودیت یادشده ناشی از وجود ناخالصی در نمونه‌های پیشین بوده است. این گروه با استفاده از آرسن بسیار خالص و بهبود روش سنتز، موفق شد کریستال‌هایی تولید کند که رسانایی گرمایی آن‌ها از ۲۱۰۰ وات عبور کرد.

کارشناسان معتقدند که این دستاورد می‌تواند کاربردهای گسترده‌ای در فناوری‌های نوین داشته باشد. در حال حاضر، انتقال گرما یکی از چالش‌های اصلی در صنایع الکترونیک، تلفن‌های هوشمند و مراکز داده است. افزایش توان تراشه‌ها باعث بالا رفتن دمای آن‌ها می‌شود و همین موضوع نیاز به موادی با رسانایی بیشتر را دوچندان کرده است. بورون آرسنید با توانایی انتقال سریع گرما می‌تواند در آینده جایگزین سیلیکون شود و عملکرد دستگاه‌های دیجیتال را به‌طور چشمگیری بهبود دهد.

افزون بر این، تولید این ماده نسبت به الماس بسیار ساده‌تر و ارزان‌تر است و نیازی به فشار یا دمای بالا ندارد. ویژگی‌های دیگری مانند تحرک بالای حامل‌های بار، شکاف نواری گسترده‌تر و ضریب انبساط حرارتی مناسب نیز آن را به یکی از گزینه‌های ایده‌آل برای ساخت تراشه‌های نسل بعدی تبدیل می‌کند.

بیشتربخوانید: خنک‌کننده الماسی برای کارت‌های گرافیک به‌زودی وارد بازار می‌شود

تحلیلگران می‌گویند این موفقیت می‌تواند مسیر تازه‌ای را در علم مواد بگشاید و مدل‌های نظری موجود درباره رسانایی حرارتی را دگرگون کند. پژوهشگران دانشگاه هیوستون اعلام کرده‌اند که هدف بعدی آن‌ها افزایش بیشتر رسانایی حرارتی با اصلاح ساختار بلوری و کنترل دقیق‌تر ناخالصی‌ها است.

این پروژه بخشی از برنامه پژوهشی بنیاد ملی علوم آمریکا است که با بودجه ۲.۸ میلیون دلار و همکاری چند دانشگاه از جمله نوتردام و ایرواین اجرا می‌شود. کارشناسان صنعت نیمه‌رسانا بر این باورند که بورون آرسنید می‌تواند در آینده نزدیک به ماده‌ای کلیدی برای ساخت تراشه‌های پرقدرت، تلفن‌های همراه خنک‌تر و مراکز داده با بهره‌وری بالا تبدیل شود.

به‌گفته ناظران علمی، این کشف نشان می‌دهد که در علم مواد هنوز ظرفیت‌های ناشناخته بسیاری وجود دارد و حتی نظریه‌های قدیمی می‌توانند با واقعیت‌های تازه جایگزین شوند. به این ترتیب، بورون آرسنید نه‌تنها رکورد الماس را شکسته، بلکه افق‌های جدیدی را در فناوری رسانش گرما و نیمه‌رسانایی گشوده است.

نوشته ماده‌ای با رسانایی حرارتی بالاتر از الماس کشف شد اولین بار در Technoc. پدیدار شد.