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重磅!立方氮化硼超高熱導率半導體研究獲突破

關鍵詞 立方氮化硼|2020-03-02 10:36:44|來源 北京大學工學院
摘要 熱導率是衡量材料導熱能力的核心物性。所有已知材料在室溫下的熱導率都分布在大約0.01—1000Wm-1K-1這一范圍。比如硅和銅的熱導率在100Wm-1K-1這一數量級比較高,可以...

熱導率是衡量材料導熱能力的核心物性。所有已知材料在室溫下的熱導率都分布在大約0.01—1000Wm-1K-1這一范圍。比如硅和銅的熱導率在100Wm-1K-1這一數量級比較高,可以有效幫助電腦和手機保持較低的工作溫度。然而,隨著先進微電子芯片內部的熱流密度越來越高,為了保證有效散熱,對于具有超高熱導率的材料的要求也越來越緊迫。

鉆石在室溫下的熱導率大約是2000Wm-1K-1,自1953年至今,一直都是公認的熱導率最高的塊材。然而高質量的鉆石既稀少又昂貴,不適合廣泛用于散熱。石墨是鉆石的同素異構體,其面向熱導率接近鉆石,價格也便宜很多,然而垂直面向的熱導率只有面向的1/300。人們探索室溫熱導率超過1000Wm-1K-1的超級導熱材料,已經有幾十年的歷史,然而一直沒有實質性的突破;直到2013年,基于第一性原理的計算預測了半導體砷化硼晶體的熱導率可能與鉆石相當。這個預測很出乎意料,因為基于一些久經實驗檢驗的基本規律,至少自1973年以來,人們普遍認為砷化硼的熱導率只有大約200Wm-1K-1。緊接著,三個獨立研究組在2018年同時在國際頂級期刊Science報道了高質量砷化硼晶體的生長及其熱導率的實驗測量。高達約1200Wm-1K-1使得砷化硼成為熱導率最高的非碳材料,在所有各向同性材料中僅次于鉆石。

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圖A為兩塊高質量天然同位素豐度立方氮化硼晶體的光學照片;圖B為立方氮化硼、砷化硼以及鉆石等超級導熱材料在不同溫度下的熱導率

北京大學工學院宋柏特聘研究員在麻省理工學院從事博士后研究期間,參與主導了2018年關于砷化硼晶體的三個實驗工作之一。自2019年1月起,宋柏入職北大。2020年1月9日,宋柏與合作者再次于Science雜志報道了有關新型超級導熱材料的最新發現。這一次的超高熱導率材料是半導體立方氮化硼晶體。雖然室溫下天然同位素豐度的立方氮化硼晶體熱導率只有大約850Wm-1K-1,然而經過硼同位素的富集,在包含約99%的硼-10或硼-11的立方氮化硼晶體中,觀測到超過1600 Wm-1K-1的熱導率。這一數值大大超過砷化硼,也就意味著硼同位素富集的立方氮化硼晶體已經取代砷化硼,成為最好的非碳及各向同性的導熱材料。同樣值得注意的是,實驗上通過同位素富集把熱導率提高約90%,這也是迄今為止觀測到的最大同位素熱效應。

宋柏及合作者之所以能夠得到超高熱導率,主要是消除了天然豐度立方氮化硼晶體中,由于硼-10和硼-11兩種同位素混合而產生的對于熱流的阻力。第一性原理計算揭示,立方氮化硼里這一巨大同位素效應的產生,主要是由于硼-10和硼-11這兩種同位素的相對質量差別較大,同為三五族半導體,砷化硼和磷化硼這兩種晶體與立方氮化硼十分相似。然而對于砷化硼和磷化硼的實驗和理論研究只發現了很小的同位素效應。原來隨著與硼原子搭配的原子質量逐漸增大(從氮到磷再到砷),由于兩種硼同位素混合而存在的質量無序度變得越來越不重要;對于熱流來說,幾乎已經不可見了。

這一研究工作背后,是一個集合了24位物理學家、材料科學家以及機械工程學家的國際團隊。其中包括麻省理工學院的Gang Chen(陳剛)教授研究組,波士頓大學的David Broido教授研究組,伊利諾伊大學香檳分校的David Cahill教授研究組,德克薩斯州立大學奧斯汀分校的Li Shi(石立)教授研究組,休斯頓大學的Zhifeng Ren(任志鋒)教授研究組,德克薩斯州立大學達拉斯分校的Bing Lv(呂兵)教授研究組,日本國立材料研究所的Takashi Taniguchi教授研究組以及宋柏。麻省理工學院原博士后研究員陳科博士以及波士頓大學原博士后研究員Navaneetha K. Ravichandran博士和宋柏為共同第一作者。宋柏和Gang Chen以及 David Broido為共同通訊作者。 

立方氮化硼晶體具有超高的硬度和化學耐受力,用于機械加工,可以勝任很多鉆石工具難以工作的尖端制造環境(如高溫)。立方氮化硼還具有非??淼哪艽湎?,是制造紫外光電器件的上好材料。擁有如此優異的力學、化學、電學以及光學性質,再加上如此少見的超高熱導率,立方氮化硼晶體在很多涉及大功率、高溫以及高光子能量的關鍵熱管理應用中前景廣闊。

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