由於消費者需要更小、更快、更強大的電子設備來吸引更多的電流併產生更多的熱量，所以熱管理的問題已經成為了一個瓶頸。研究人員已經創造出了一種潛在的解決方案——含高導熱性的硼化砷晶體，這可能會被用於未來的電子產品，以防止設備過熱。
如果你的筆記本電腦或手機在玩了幾個小時的視頻遊戲或運行了太多的應用程序後，開始感到溫暖，那麼這些設備實際上是在做他們的工作。
將電腦內部的電路從電路中加熱到外部環境是至關重要的：過熱的計算機芯片可以使程序運行變慢或凍結，完全關閉設備或造成永久性傷害。
由於消費者需要更小、更快、更強大的電子設備來吸引更多的電流併產生更多的熱量，所以熱管理的問題已經成為了一個瓶頸。有了當前的技術，從內到外就能消散的熱量是有限的。
達拉斯德克薩斯大學的研究人員和他們在伊利諾伊大學香檳分校和休斯頓大學的合作者們創造了一個潛在的解決方案，發表在7月5日出版的科學雜誌上的一項研究中。
Bing Lv（發音為“愛”），德克薩斯大學的自然科學和數學學院的物理學助理教授，和他的同事們製作了一種叫做硼化砷的半導體材料晶體，這種材料具有極高的導熱性，這是一種描述材料運輸熱量的特性。
“對於依賴計算機芯片和晶體管的行業來說，熱管理是非常重要的，”Lv說，他是這項研究的相應作者。“對於高性能的小型電子產品，我們不能使用金屬來散熱，因為金屬會導致短路。我們不能應用冷卻風扇，因為它們佔據了空間。我們需要的是一種廉價的半導體，它能分散大量的熱量。”
今天的大部分計算機芯片都是由硅元素構成的，這種晶體半導體材料能充分發揮散熱的作用。但是硅，結合其他的冷卻技術，結合到設備中，只能處理這麼多。
金剛石具有最高的熱傳導率，每米開爾文約為2200瓦特，而硅則為每米開爾文約150瓦。Lv說，雖然鑽石偶爾會被納入要求的熱耗散應用中，但天然鑽石的成本和人類製造的鑽石薄膜的結構缺陷使得這種材料在電子產品中廣泛使用是不現實的。
2013年，波士頓學院和海軍研究實驗室的研究人員發表了一項研究，該研究預測，硼化砷的性能可能和鑽石一樣，作為一個熱散佈機。在2015年，Lv和他在休斯頓大學的同事們成功地製造出了這種硼化砷晶體，但是這種材料的導熱性很低，大約每米開爾文200瓦特。
從那時起，Lv在美國達拉斯的工作重點是優化水晶生長過程，以提高材料的性能。
“我們在過去的三年裡一直在研究這項研究，現在已經把熱傳導率提高到每米開爾文1000瓦特，這在散熱材料中僅次於鑽石，”Lv說。
該研究的共同作者、研究論文的作者、物理學博士生劉曉媛和研究報告的作者李生一起，利用一種叫做化學蒸汽運輸的技術，在德克薩斯大學達拉斯建立了高導熱性晶體。這些原材料——元素硼和砷——被放置在一個熱的房間裡，另一端是冷的。在房間裡，另一種化學物質將硼和砷從熱端輸送到冷端，在那裡，元素結合形成晶體。
“從我們以前的結果的200瓦特/ meter-kelvin 提高到1000瓦特/ meter-kelvin,我們需要調整很多參數,包括原材料開始,室的溫度和壓力,即使我們使用的類型的油管和如何清洗設備,“Lv說。
伊利諾伊大學厄巴納-尚佩恩分校的大衛卡希爾和平沙恩的研究小組在目前的工作中發揮了關鍵作用，通過最先進的電子顯微鏡研究了硼化砷晶體的缺陷，並測量了在達拉斯的小晶體的熱傳導率。
“我們使用伊利諾斯州在過去十幾年開發的一種叫做“時間域的溫度”或TDTR的方法來測量熱傳導率，”卡希爾教授說，他是材料科學與工程學系的教授，同時也是這項研究的作者之一。“TDTR使我們能夠在廣泛的條件下測量幾乎所有材料的導熱性，這對這項工作的成功至關重要。”
在硼化砷和其他晶體中，熱量散散的方式與材料的振動有關。當水晶振動時，運動產生一種叫做聲子的能量，它可以被認為是攜帶熱量的準粒子。Lv說，硼化砷晶體的獨特特性——包括硼和砷原子之間的質量差異——有助於提高聲子的能力，使它們能夠更有效地遠離晶體。
“我認為硼化砷在電子產品的未來有很大的潛力，”Lv說。“它的半導體特性與硅非常相似，這就是為什麼把砷化物加入半導體器件的原因。”
Lv說，雖然砷元素本身對人類來說是有毒的，但一旦它被融入到像硼化物這樣的化合物中，這種物質就會變得非常穩定和無毒。
Lv說，這項工作的下一步將包括嘗試其他過程來改善這種材料的生長和性能，以滿足大規模應用的需求。
這項研究得到了美國海軍研究辦公室和空軍科學研究辦公室的支持。
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