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Durchbruch bei der Erforschung von CBN-Halbleitern mit super hoher Wärmeleitfähigkeit

Mar 02, 2020

Die Wärmeleitfähigkeit ist die grundlegende physikalische Eigenschaft zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien. Die Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Materialien liegt bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 0,01-1000 wm-1k-1. Beispielsweise ist die Wärmeleitfähigkeit von Silizium und Kupfer in der Größenordnung von 100 wm-1k-1 relativ hoch, was Computern und Mobiltelefonen effektiv helfen kann, eine niedrige Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Mit zunehmender Wärmeflussdichte im fortschrittlichen mikroelektronischen Chip werden jedoch die Anforderungen an Materialien mit ultrahoher Wärmeleitfähigkeit immer dringlicher, um eine effektive Wärmeableitung sicherzustellen.

Die Wärmeleitfähigkeit von Diamant bei Raumtemperatur beträgt etwa 2000 Wm-1 k-1. Diamant ist seit 1953 als Block mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit anerkannt. Hochwertige Diamanten sind jedoch selten und teuer, so dass sie nicht für eine breite Verwendung bei der Wärmeableitung geeignet sind. Graphit ist das Isomer von Diamant. Seine Wärmeleitfähigkeit liegt nahe an der von Diamant und sein Preis ist viel billiger. Die vertikale Wärmeleitfähigkeit beträgt jedoch nur 1/300 der von Diamant. Es ist Jahrzehnte her, seit Menschen Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1000 wm-1k-1 bei Raumtemperatur erforschten. Bis 2013 gab es jedoch keinen wesentlichen Durchbruch. Die auf dem ersten Prinzip basierende Berechnung sagte voraus, dass die Wärmeleitfähigkeit von Halbleiterbor Arsenidkristall könnte dem von Diamant entsprechen. Diese Vorhersage ist ziemlich unerwartet, da basierend auf einigen Grundgesetzen, die durch Experimente getestet wurden, allgemein angenommen wird, dass die Wärmeleitfähigkeit von Borarsenid seit mindestens 1973 nur etwa 200 wm-1k-1 beträgt. Dann, im Jahr 2018, drei unabhängige Forschungsgruppen berichteten über das Wachstum hochwertiger Borarsenidkristalle und die experimentelle Messung seiner Wärmeleitfähigkeit in der Wissenschaft, einer internationalen Top-Zeitschrift. Bis zu 1200 wm-1k-1 ist Borarsenid das Nicht-Kohlenstoff-Material mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit, das nach Diamant in allen isotropen Materialien an zweiter Stelle steht.

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Abbildung a zeigt die optischen Fotos von zwei hochwertigen kubischen Bornitridkristallen mit natürlicher Isotopenhäufigkeit. Abbildung B zeigt die Wärmeleitfähigkeit von super wärmeleitenden Materialien wie kubischem Bornitrid, Borarsenid und Diamant bei verschiedenen Temperaturen

Während seiner Postdoktorandenforschung am MIT nahm der Forscher Song Baite von der Beijing University of Technology an einem der drei Experimente mit Borarsenidkristallen im Jahr 2018 teil und leitete ihn. Seit Januar 2019 ist Song Bai an der Peking University tätig. Am 9. Januar 2020 berichteten Song Bai und seine Mitarbeiter erneut im Wissenschaftsmagazin über die neueste Entdeckung neuer super wärmeleitender Materialien. Dieses Mal ist das Material mit super hoher Wärmeleitfähigkeit ein kubischer Halbleiter-Bornitridkristall. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit von CBN-Kristallen mit natürlicher Isotopenhäufigkeit bei Raumtemperatur nur etwa 850 wm-1k-1 beträgt, wurden nach Anreicherung von Borisotopen mehr als 1600 wm-1k-1 in CBN-Kristallen beobachtet, die etwa 99% Bor-10 enthalten oder Bor-11. Dieser Wert ist viel höher als der von Borarsenid, was bedeutet, dass mit Borisotopen angereicherte kubische Bornitridkristalle Borarsenid als die besten nicht kohlenstoffhaltigen und isotropen wärmeleitenden Materialien ersetzt haben. Es ist auch erwähnenswert, dass die Wärmeleitfähigkeit durch Isotopenanreicherung um etwa 90% erhöht wird, was auch der größte bisher beobachtete Isotopeneffekt ist.

Der Grund, warum Song Bai und seine Mitarbeiter eine super hohe Wärmeleitfähigkeit erzielen können, besteht hauptsächlich darin, den Widerstand gegen den Wärmefluss zu beseitigen, der durch das Mischen von Bor-10- und Bor-11-Isotopen im kubischen Bornitridkristall mit natürlicher Häufigkeit verursacht wird. Die erste prinzipielle Berechnung zeigt, dass der große Isotopeneffekt in kubischem Bornitrid hauptsächlich auf die relative Massendifferenz zwischen Bor-10 und Bor-11 zurückzuführen ist, die der gleiche Halbleiter der drei oder fünf Gruppen sind. Die beiden Kristalle von Borarsenid und Borphosphid sind kubischem Bornitrid sehr ähnlich. Für die experimentellen und theoretischen Untersuchungen von Borarsenid und Borphosphid wurde jedoch nur ein geringer Isotopeneffekt gefunden. Es stellt sich heraus, dass mit der Zunahme der Atommasse (von Stickstoff über Phosphor zu Arsen) des Boratoms die Massenstörung aufgrund der Vermischung der beiden Borisotope immer weniger wichtig wird; für den Wärmefluss ist es fast unsichtbar.

Hinter dieser Arbeit steht ein internationales Team von 24 Physikern, Materialwissenschaftlern und Maschinenbauingenieuren. Dazu gehören Professor Gang Chen vom MIT, Professor Broido von der Boston University, Professor Cahill von der University of Illinois in Urbana Champaign, Professor Li Shi von der University of Texas in Austin und Zhifeng von der University of Houston, Professor Ren (Zhifeng Ren) Gruppe, Professor Bing LV Forschungsgruppe der Texas State University Dallas, Professor Takashi Taniguchi Forschungsgruppe des Japan National Institute of Materials und Song Bai. Dr. Chen Ke, ehemaliger Postdoktorand am MIT, Dr. navaneetha K. ravichandran, ehemaliger Postdoktorand an der Boston University, und Dr. Song Bo waren Co-Autoren. Song Bai, Gang Chen und David Broido sind Co-Autoren.

Kubische Bornitridkristalle haben eine hohe Härte und chemische Beständigkeit. Es wird in der Bearbeitung verwendet und kann in vielen hochmodernen Fertigungsumgebungen (z. B. bei hohen Temperaturen) eingesetzt werden, in denen Diamantwerkzeuge schwer zu bearbeiten sind. CBN hat auch eine sehr große Bandlücke, was ein gutes Material für die Herstellung von optoelektronischen UV-Bauelementen ist. Mit solch hervorragenden mechanischen, chemischen, elektrischen und optischen Eigenschaften, gepaart mit solch einer seltenen ultrahohen Wärmeleitfähigkeit, hat CBN-Kristall eine breite Perspektive in vielen wichtigen Wärmemanagementanwendungen, die hohe Leistung, hohe Temperatur und hohe Photonenenergie umfassen.