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Einschichtiges hexagonales Bornitrid (BN) wird das bevorzugte Wärmeableitungsmaterial für die nächste Generation sein.

Jul 10, 2019

Eine Studie, die vom Australian Research Council über den Science and Technology Achievement Conversion Award finanziert und vom Dicken University Institute durchgeführt wurde, zeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit von einschichtigem hexagonalem Bornitrid (BN) bei Raumtemperatur 751 W / mK erreicht zweithöchste aller Halbleiter und Isolierstoffe nach Gewichtseinheit und mit hexagonalem Nitrieren. Mit zunehmender Borschicht nimmt die Wärmeleitfähigkeit allmählich ab. Dies bedeutet auch, dass einschichtiges hexagonales Bornitrid die erste Wahl für Wärmeableitungsmaterialien für die nächste Generation flexibler elektronischer Geräte sein wird.

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Diamant und kubisches Bornitrid (cBN) waren ursprünglich die höchste Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien, aber sie sind aufgrund ihrer Produktionskosten und Sprödigkeit schwierig in flexiblen Anlagen zu verwenden. Das kürzlich entdeckte hochqualitative kubische Borarsenid (BAs) mit einer Bandlücke von 1,5 eV weist eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1000 W / mK auf, ist jedoch auch hinsichtlich der Flexibilität fraglich. Im Gegensatz dazu ähnelt das Verhalten von hochorientiertem pyrolytischem hexagonalem BN (HOPBN) dem von einkristallinem Bornitrid. Obwohl es viele Korngrenzen, Defekte und Versetzungen gibt, beträgt seine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur immer noch bis zu 400 W / mK.

In vielen früheren Studien wurde festgestellt, dass die Wärmeleitfähigkeit einiger BN-Schichten nicht einmal so gut ist wie die eines herkömmlichen hBN-Blocks. Einige experimentelle Daten zeigen sogar, dass die Wärmeleitfähigkeit von fünf BN-Schichten schlechter ist als die von 11 BN-Schichten. Die Forscher glauben, dass es vorher Defekte in hBN-Proben gab. Darüber hinaus ist die Verwendung von Polymeren (wie PMMA) in den Prozess des Probentransfers involviert, und es gibt eine Restkontamination. Daher werden die Versuchsergebnisse zwangsläufig zerstört.

Bei diesem Experiment wurde transparentes Klebeband verwendet, um einschichtiges BN herzustellen (ähnlich der Methode des ursprünglichen Nobelpreisträgers zur Herstellung von Graphen), und Raman-Spektroskopie wurde verwendet, um die Ergebnisse zu messen. Die Forscher bedeckten die einzelne BN-Schicht separat auf dem mit Nano-Silica bedeckten Siliziumsubstrat und dem vergoldeten Siliziumsubstrat, die beide verarbeitet und mit vorgefertigten Mikroporen und Rillen ausgestattet waren, um eine Gasausdehnung während des Erhitzens zu vermeiden.

Schließlich stellten die Forscher durch die Herstellung von einschichtigem BN hoher Qualität und die Durchführung von Experimenten die inhärente Wärmeleitfähigkeit des Materials fest. Die Ergebnisse zeigen, dass in Halbleitern und Isolatoren eine einzelne BN-Schicht mit Ausnahme von Diamant und kubischem Borarsenid die höchste Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es hat aber auch viele Vorteile wie geringe Dichte, hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit, hohe Duktilität, hohe Stabilität und Undurchlässigkeit, was seine Anwendungsaussichten besonders breit macht.