صفحه اصلی > نمایشگاه > محتوای

موفقیت در تحقیقات نیمه هادی رسانایی حرارتی فوق العاده بالا CBN

Mar 02, 2020

هدایت حرارتی خاصیت فیزیکی اصلی برای اندازه گیری هدایت حرارتی مواد است. هدایت حرارتی کلیه مواد شناخته شده در دمای اتاق در حدود 0.01-1000wm-1k-1 است. به عنوان مثال ، هدایت حرارتی سیلیکون و مس به ترتیب 100wm-1k-1 است که می تواند به طور مؤثر کامپیوترها و تلفن های همراه را در حفظ درجه حرارت پایین کار کمک کند. اما با افزایش تراکم شار گرما در تراشه میکروالکترونیک پیشرفته ، به منظور اطمینان از اتلاف گرما موثر ، الزامات مربوط به موادی که دارای هدایت حرارتی فوق العاده بالا هستند ، بیشتر و بیشتر ضروری است.

هدایت حرارتی الماس در دمای اتاق در حدود 2000wm-1k-1 است. از سال 1953 ، الماس به عنوان بلوک با بالاترین هدایت حرارتی شناخته شده است. با این حال ، الماس با کیفیت بالا نادر و گران است ، بنابراین آنها برای استفاده گسترده در اتلاف گرما مناسب نیستند. گرافیت ایزومر الماس است. هدایت حرارتی آن نزدیک به الماس است و قیمت آن بسیار ارزان تر است. با این حال ، هدایت حرارتی عمودی تنها 1/300 از این الماس است. ده ها سال است که مردم مواد هدایت حرارتی فوق العاده را با هدایت حرارتی دمای اتاق بیش از 1000wm-1k-1 کاوش کرده اند ، اما تا سال 2013 هیچ پیشرفت اساسی در این زمینه حاصل نشده است ، محاسبه بر اساس اصل اول پیش بینی می کند که هدایت حرارتی بور نیمه هادی بلور آرسنید ممکن است معادل الماس باشد. این پیش بینی کاملاً غیر منتظره است ، زیرا بر اساس برخی از قوانین اساسی که توسط آزمایشات آزمایش شده اند ، به طور کلی اعتقاد بر این است که هدایت حرارتی بور آرسنید تنها از سال 1973 در حدود 200wm-1k-1 است. پس از آن ، در سال 2018 ، سه مستقل. گروه های تحقیقاتی از رشد بلور آرسنید بور با کیفیت بالا و اندازه گیری آزمایشی هدایت حرارتی آن در علم ، یک ژورنال برتر بین المللی خبر دادند. به اندازه 1200 wm-1k-1 ، آرسنید بور به ماده ای غیر کربن با بالاترین هدایت حرارتی تبدیل شده است ، در رده دوم فقط الماس در کلیه مواد ایزوتروپیک.

微信图片_20200302101559

شکل a عکسهای نوری از دو کریستال نیترید بورم مکعب با کیفیت بالا با وفور ایزوتوپ طبیعی را نشان می دهد. شکل B هدایت حرارتی چنین مواد هدایت گرمای فوق العاده ای مانند نیترید بورم مکعب ، آرسنید بور و الماس را در دماهای مختلف نشان می دهد

در طول تحقیقات پس از دکترا در MIT ، آهنگ محقق Baite از دانشگاه فناوری پکن در سال 2018 در یکی از سه آزمایش بر روی کریستال بورن آرسنید شرکت کرد و رهبری کرد. از ژانویه سال 2019 ، آهنگ بای وارد دانشگاه پکن شد. در 9 ژانویه سال 2020 ، آهنگ بای و همكارانش آخرین بار از کشف مواد جدید انتقال ابر فوق العاده جدید در مجله علوم دوباره خبر دادند. این بار ، ماده هدایت حرارتی فوق العاده بالا ، کریستال نیترید بورم مکعب نیمه هادی است. اگرچه هدایت حرارتی کریستال CBN با فراوانی ایزوتوپی طبیعی در دمای اتاق تنها در حدود 850wm-1k-1 است ، اما پس از غنی سازی ایزوتوپهای بور ، بیش از 1600 wm-1k-1 در کریستال CBN حاوی حدود 99٪ boron-10 مشاهده شده است. یا بور 11. این مقدار بسیار بیشتر از مقدار آرسنید بور است ، به این معنی که کریستال های نیترید بورک مکعب غنی شده با ایزوتوپهای بور جایگزین بور آرسنید به عنوان بهترین مواد هدایت گرما غیر کربن و ایزوتروپیک شده اند. همچنین شایان ذکر است که هدایت حرارتی با غنی سازی ایزوتوپ حدود 90٪ افزایش می یابد ، که این نیز بزرگترین اثر حرارتی ایزوتوپی است که تاکنون مشاهده شده است.

دلیل اینکه آهنگ بای و همکارانش می توانند از هدایت حرارتی فوق العاده بالایی برخوردار شوند ، عمدتاً از بین بردن مقاومت در برابر جریان گرما ناشی از اختلاط ایزوتوپ های boron-10 و bor-11 در کریستال نیترید بور مکعب فراوانی طبیعی است. محاسبه اصلی اول نشان می دهد که اثر ایزوتوپیک عالی در نیترید بورمکعب عمدتا به دلیل اختلاف نسبی جرم بین بور-10 و بور-11 است که همان نیمه هادی سه یا پنج گروه است. دو کریستال بور آرسنید و بور فسفید بسیار شبیه به نیترید بورم مکعب هستند. با این حال ، برای مطالعات تجربی و نظری بورسنیدن بور و فسفید بور ، تنها یک اثر ایزوتوپی کوچک یافت شده است. معلوم می شود که با افزایش جرم اتمی (از نیتروژن به فسفر تا آرسنیک) اتم بور ، اختلال جرم به دلیل اختلاط دو ایزوتوپ بور کمتر و از اهمیت کمتری برخوردار می شود. برای جریان گرما ، تقریبا نامرئی است.

پشت این کار یک تیم بین المللی با 24 فیزیکدان ، دانشمندان مواد و مهندسان مکانیک قرار دارد. اینها شامل پروفسور باند چن از MIT ، پروفسور broido از دانشگاه بوستون ، پروفسور کاهیل از دانشگاه ایلینویز در Urbana Champaign ، پروفسور لی شی از دانشگاه تگزاس در آستین و Zhifeng از دانشگاه هیوستون استاد رن (Zhifeng رن) تحقیق می کنند. گروه ، گروه تحقیقاتی پروفسور بینگ LV از دانشگاه ایالتی تگزاس ، دالاس ، گروه تحقیق استاد تاکاشی تانیگوچی از موسسه ملی مواد ژاپن ، و آهنگ Bai. دکتر چن کی ، محقق سابق دکترا MIT ، دکتر navaneetha K. ravichandran ، محقق سابق دکترا دانشگاه بوستون ، و دکتر سونگ بو نویسندگان مشترک بودند. آهنگ بای ، باند چن و دیوید broido نویسندگان مشترک هستند.

بلور نیترید بورم مکعب از سختی و مقاومت شیمیایی بالایی برخوردار است. در ماشینکاری استفاده می شود و در بسیاری از محیط های تولید برش (مانند درجه حرارت بالا) که ابزار الماس کار با آن دشوار است قابل استفاده است. CBN همچنین از شکاف باند بسیار گسترده ای برخوردار است ، که این ماده خوبی برای ساخت دستگاه های UV نوری است. بلورهای CBN با چنین خصوصیات مکانیکی ، شیمیایی ، الکتریکی و نوری بسیار عالی ، همراه با چنین هدایت حرارتی فوق العاده بالا نادر ، چشم انداز گسترده ای در بسیاری از برنامه های کلیدی مدیریت حرارتی شامل انرژی بالا ، درجه حرارت بالا و انرژی فوتون زیاد دارد.