بورون آرسناید به تازگی از الماس پیشی گرفته و قوانین رسانش گرمایی و طراحی نیمرسانا را بازنویسی کرده است. تصویر از: Shutterstock

پژوهشگران دانشگاه هوستون به یک نقطه عطف علمی بزرگ در مطالعه انتقال گرما دست یافته‌اند. یافته‌های جدید آنها فرضیه‌های دیرینه درباره رسانش گرمایی را دگرگون کرده و نشان می‌دهد که بورون آرسناید (BAs) نسبت به الماس که مدتهاست به عنوان معیاری در میان مواد همسانگرد (ایزوتروپیک) در نظر گرفته شده است، می‌تواند گرما را به طور مؤثرتری انتقال دهد.

این گروه پژوهشی کشف کرد که وقتی بلورهای BAs با خلوص استثنایی تولید می‌شوند، می‌توانند در دمای اتاق به مقادیر رسانش گرمایی بیش از 2100 وات بر متر کلوین (W/mK) برسند که احتمالا از خود الماس هم پیشی می‌گیرند.

پژوهش منتشر شده در نشریه Materials Today مدلهای نظری موجود را به چالش کشیده و می‌تواند نحوه تفکر دانشمندان درباره حرکت گرما از میان مواد جامد را تغییر دهد. این نتایج همچنین به یک گزینه نیمرسانای جدید امیدوارکننده برای دستگاه‌هایی که مدیریت گرمایی پیشرفته نیاز دارند از جمله گوشی های هوشمند، دستگاه های الکترونیکی پرقدرت و مراکز داده اشاره دارد.

ژیفِنگ رِن Zhifeng Ren ، نویسنده مسئول و استاد فیزیک در کالج علوم طبیعی و ریاضیات دانشگاه هوستون می‌گوید: "ما به اندازه گیری خود اعتماد داریم؛ داده های ما صحیح هستند و این به این معنی است که نظریه نیاز به اصلاح دارد. من نمی‌گویم که این نظریه اشتباه است، اما لازم است اصلاح هایی انجام شود تا با داده های تجربی سازگار باشند".

شکستن محدودیت های دیرینه

این کشف، حاصل همکاری میان مرکز ابررسانایی تگزاس دانشگاه هوستون (تحت هدایت رِن)، دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا و کالج بوستون است.

بیش از یک دهه است که بورون آرسناید، دانشمندان را مجذوب خود کرده است. در سال 2013، دیوید برویدو David Broido، فیزیکدان کالج بوستون و نویسنده همکار این پژوهش و همکارانش پیش بینی کردند که BAs از نظر تئوری می‌تواند گرما را به همان اندازه موثر یا حتی بهتر از الماس هدایت کند. با این حال، مدلهای تصحیح شده در سال 2017 یک فاکتور پیچیده، معروف به پراکندگی چهار فونون اضافه کردند که عملکرد پیش بینی شده را به حدود W/mK 1360 کاهش داد. این باعث شد بسیاری از افراد در این زمینه، از این ایده که BAs می‌تواند رسانش الماس را افزایش دهد، صرفنظر کنند.

با این وجود، گروه رِن گمان می‌کرد که مشکل، توانایی ذاتی ماده نیست، بلکه ناخالصیهای درون آن است. نمونه‌های آزمایشگاهی پیشین شامل نقص‌های ساختاری بودند که عملکرد را به حدود W/mK 1300 محدود می‌کردند که بسیار پایین تر از شرایط ایده آل مورد استفاده در پیش‌بینی های نظری است.

بلورهای خالص‌تر، نتایج بی سابقه

با خالص‌سازی آرسنیک خام و توسعه روشهای سنتز بهبود یافته، این گروه تحت هدایت دانشگاه هوستون بلورهای بورون آرسناید را با نقص‌های ساختاری به طور قابل توجهی کمتر تولید کردند. هنگام آزمایش، این نمونه‌های با خلوص بالا، رسانش گرمایی به طور قابل توجهی بالاتر از W/mK 2100 را نشان دادند که نه تنها از نتایج آزمایشگاهی قبلی بلکه از خود سقف نظری نیز فراتر رفت.

این دستاورد تایید می‌کند که خلوص ماده نقش تعیین کننده‌ای در عملکرد انتقال گرما داشته و مسیری به سوی مواد رسانای گرمایی حتی کارآمدتر می گشاید.

چرا این کشف اهمیت دارد

پیامدهای این پیشرفت مهم، بسیار فراتر از اندازه‌گیری های آزمایشگاهی گسترش می‌یابد. بورون آرسناید این پتانسیل را دارد تا با ارائه ماده‌ای که هم گرما را به طور موثری پراکنده کرده و هم به عنوان یک نیمرسانای با کیفیت بالا عمل می‌کند، در الکترونیک و فناوری نیمرسانا انقلاب ایجاد کند.

مزایای آن عبارتند از:

· ساخت آسانتر و مقرون به صرفه‌تر در مقایسه با الماس بدون نیاز به دما یا فشار بالا

· رسانش گرمایی استثنایی همراه با رفتار نیمرسانایی موثر

· عملکرد الکترونیکی به طور بالقوه بالاتر در مقایسه با سیلیکون به دلیل تحرک بالای حاملهای بار آن، گاف نواری عریض و ضریب انبساط گرمایی کاملا منطبق

رِن می‌گوید: "این ماده جدید، بسیار شگفت انگیز است. این ماده بهترین ویژگیهای یک نیمرسانای خوب و یک رسانای گرمایی خوب، همه انواع ویژگیهای خوب در یک ماده را دارد. این، هرگز در مواد نیمرسانای دیگر رخ نداده است".

مشتاقانه، پیش به سوی درنوردیدن مرزهای فیزیک!

اگرچه این کشف مرز جدیدی را نشان می‌دهد، اما این کار همچنان در جریان است. پژوهشگران در مرکز ابررسانایی تگزاس، قصد دارند تا اصلاح روشهای خود را با هدف ارتقای بیشتر از قبلِ عملکرد بورون آرسناید ادامه دهند.

این پژوهش بخشی از یک پروژه 2.8 میلیون دلاری بنیاد ملی علم به رهبری بولین لیائو Bolin Liao در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا با مشارکت دانشگاه هوستون، دانشگاه نوتردام و دانشگاه کالیفرنیا، UC ارواین است. این پژوهش همچنین از شریک صنعتی خود، Qorvo پشتیبانی جزئی دریافت کرده است.

رِن دانشمندان را تشویق می‌کند تا مدلهای موجود را مجددا بررسی کرده و فرضیه‌های نظری را که ممکن است موادی مانند BAs را دست کم گرفته باشند، به چالش بکشند.

رِن می‌گوید: "شما نباید اجازه دهید یک نظریه مانع از کشف چیزی حتی بزرگتر شود و این دقیقا در این پژوهش اتفاق افتاده است".

منبع:

Scientists just found a material that beats diamond at its own game

ترجمه خبر: بهناز ساربانها