پژوهشگران دانشگاه هوستون با دستیابی به نتایج جدید، یک باور دیرینه در فیزیک انتقال حرارت را کنار گذاشتند. مطالعات آنها نشان می‌دهد بورون آرسنید (BAs) در شرایط خلوص بسیار بالا می‌تواند رسانایی حرارتی بیش از ۲۱۰۰ وات بر متر بر کلوین در دمای اتاق داشته باشد؛ رقمی که احتمالاً از الماس که سال‌ها معیار اصلی مواد ایزوتروپیک بوده نیز فراتر می‌رود.

این پژوهش که در نشریه Materials Today منتشر شده مدل‌های نظری موجود را به چالش می‌کشد و چارچوب‌های فعلی درباره حرکت حرارت در مواد جامد را زیر سؤال می‌برد. نتایج همچنین نشان می‌دهد که BAs می‌تواند گزینه‌ای نویدبخش برای دستگاه‌هایی باشد که نیازمند مدیریت حرارتی پیشرفته هستند؛ از جمله تلفن‌های هوشمند، الکترونیک‌های توان‌بالا و مراکز داده.

شکست سقف‌های نظری با بلور‌های پاک‌تر

این کشف حاصل همکاری مرکز ابررسانایی تگزاس در دانشگاه هوستون، دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا و کالج بوستون است.

در سال ۲۰۱۳ مدل‌های نظری پیش‌بینی کرده بودند که بورون آرسنید شاید بتواند به اندازه الماس یا حتی بهتر حرارت را هدایت کند. اما بازنگری مدل‌ها در سال ۲۰۱۷ و افزودن عامل پراکندگی چهار-فونونی میزان رسانایی پیش‌بینی‌شده را به حدود ۱۳۶۰ وات بر متر بر کلوین کاهش داد و بسیاری از پژوهشگران را از این ایده دور کرد.

با این حال تیم ژیفنگ رن معتقد بود مشکل از خود ماده نیست بلکه از ناخالصی‌هاست. نمونه‌های پیشین به دلیل نقص‌های بلوری تنها به رسانایی حدود ۱۳۰۰ وات می‌رسیدند.

رکوردشکنی با بلور‌های بسیار خالص

پژوهشگران با تصفیه دقیق آرسنیک و بهبود روش‌های سنتز بلور‌هایی ساختند که عیوب بسیار کمتری داشتند. آزمایش‌ها نشان داد این نمونه‌های خالص قادرند رسانایی حرارتی بالاتر از ۲۱۰۰ W/mK ارائه دهند؛ رقمی فراتر از داده‌های تجربی قبلی و حتی مدل‌های نظری.

این نتیجه بار دیگر نشان داد که خلوص مواد نقشی تعیین‌کننده در عملکرد حرارتی دارد و مسیر توسعه مواد فوق‌رسانا در مدیریت گرما را هموار می‌کند.

چرا این کشف مهم است؟

ویژگی‌های بورون آرسنید آن را به گزینه‌ای بالقوه برای نسل آینده نیمه‌رسانا‌ها تبدیل می‌کند:

• تولید ساده‌تر و ارزان‌تر نسبت به الماس، بدون نیاز به فشار یا دمای فوق‌العاده

• ترکیب کم‌نظیر رسانایی حرارتی فوق‌بالا و عملکرد مناسب نیمه‌رسانایی

• پتانسیل عملکرد بهتر از سیلیکون به دلیل تحرک بالای حامل‌ها، گاف نواری گسترده و ضریب انبساط حرارتی مناسب

رن در توضیح اهمیت این ماده می‌گوید: این ماده واقعا فوق‌العاده است؛ بهترین ویژگی‌های یک نیمه‌رسانا و یک رسانای حرارتی عالی را با هم دارد؛ چیزی که در دیگر مواد نیمه‌رسانا دیده نشده بود.

بازنگری در فیزیک مواد

این تیم تحقیقاتی قصد دارد روش‌های تولید را بیش از پیش بهبود دهد تا به عملکرد بالاتری برسد. پروژه مذکور بخشی از برنامه ۲.۸ میلیون دلاری بنیاد ملی علوم آمریکا است که مشارکت دانشگاه‌های هوستون، کالیفرنیا، نوتردام و UC Irvine و همچنین همکاری صنعتی شرکت Qorvo را شامل می‌شود.

رن تاکید می‌کند که یافته‌های جدید باید پژوهشگران را به بازنگری نظریه‌های موجود ترغیب کند: نباید بگذارید نظریه مانع کشف چیز‌های بزرگ‌تر شود و دقیقا همین اتفاق در این پژوهش افتاد.

انتهای پیام/