Si su computadora portátil o teléfono celular comienza a calentarse después de jugar horas de videojuegos o ejecutar demasiadas aplicaciones a la vez, esos dispositivos realmente están haciendo su trabajo.

Alejar el calor de los circuitos en las entrañas de una computadora al entorno exterior es fundamental:los chips de computadora sobrecalentados pueden hacer que los programas se ejecuten más lentamente o se congelen, apague el dispositivo por completo o provocará daños permanentes.

A medida que los consumidores exigen dispositivos electrónicos más rápidos y potentes que consumen más corriente y generan más calor, la cuestión de la gestión del calor está llegando a un cuello de botella. Con la tecnología actual, hay un límite para la cantidad de calor que se puede disipar de adentro hacia afuera.

Investigadores de la Universidad de Texas en Dallas y sus colaboradores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad de Houston han creado una solución potencial, descrito en un estudio publicado en línea el 5 de julio en la revista Ciencias .

Bing Lv (pronunciado "amor"), profesor asistente de física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas de UT Dallas, y sus colegas produjeron cristales de un material semiconductor llamado arseniuro de boro que tienen una conductividad térmica extremadamente alta. propiedad que describe la capacidad de un material para transportar calor.

"La gestión del calor es muy importante para las industrias que dependen de transistores y chips de computadora, "dijo Lv, un autor correspondiente del estudio. "Para alta potencia, pequeña electrónica, no podemos usar metal para disipar el calor porque el metal puede causar un cortocircuito. No podemos aplicar ventiladores de refrigeración porque ocupan espacio. Lo que necesitamos es un semiconductor económico que también disperse mucho calor ".

La mayoría de los chips de computadora actuales están hechos del elemento silicio, un material semiconductor cristalino que hace un trabajo adecuado de disipar el calor. Pero el silicio en combinación con otra tecnología de refrigeración incorporada en los dispositivos, puede manejar sólo hasta cierto punto.

El diamante tiene la conductividad térmica más alta conocida, alrededor de 2, 200 vatios por metro-kelvin, en comparación con unos 150 vatios por metro-kelvin del silicio. Aunque el diamante se ha incorporado ocasionalmente en aplicaciones exigentes de disipación de calor, el costo de los diamantes naturales y los defectos estructurales en las películas de diamantes artificiales hacen que el material no sea práctico para un uso generalizado en la electrónica, Lv dijo.

En 2013, Los investigadores del Boston College y el Laboratorio de Investigación Naval publicaron una investigación que predijo que el arseniuro de boro podría funcionar tan bien como el diamante como esparcidor de calor. En 2015, Lv y sus colegas de la Universidad de Houston produjeron con éxito tales cristales de arseniuro de boro, pero el material tenía una conductividad térmica bastante baja, alrededor de 200 vatios por metro-kelvin.

Desde entonces, El trabajo de Lv en UT Dallas se ha centrado en optimizar el proceso de cultivo de cristales para mejorar el rendimiento del material.

"Hemos estado trabajando en esta investigación durante los últimos tres años, y ahora han aumentado la conductividad térmica a aproximadamente 1, 000 vatios por metro-kelvin, que es superado solo por el diamante en materiales a granel, "Dijo Lv.

Lv trabajó con el investigador asociado postdoctoral Sheng Li, coautor principal del estudio, y estudiante de doctorado en física Xiaoyuan Liu, también autor del estudio, para crear los cristales de alta conductividad térmica en UT Dallas usando una técnica llamada transporte de vapor químico. Las materias primas, los elementos boro y arsénico, se colocan en una cámara que está caliente en un extremo y fría en el otro. Dentro de la cámara otro químico transporta el boro y el arsénico desde el extremo caliente al extremo más frío, donde los elementos se combinan para formar cristales.

"Para saltar de nuestros resultados anteriores de 200 vatios por metro-kelvin hasta 1, 000 vatios por metro-kelvin, necesitábamos ajustar muchos parámetros, incluyendo las materias primas con las que empezamos, la temperatura y la presión de la cámara, incluso el tipo de tubería que usamos y cómo limpiamos el equipo, "Dijo Lv.

Los grupos de investigación de David Cahill y Pinshane Huang en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign jugaron un papel clave en el trabajo actual, estudiar defectos en los cristales de arseniuro de boro mediante microscopía electrónica de última generación y medir la conductividad térmica de los cristales muy pequeños producidos en UT Dallas.

"Medimos la conductividad térmica utilizando un método desarrollado en Illinois durante los últimos doce años llamado 'termorreflectancia en el dominio del tiempo' o TDTR, "dijo Cahill, profesor y jefe del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y autor correspondiente del estudio. "TDTR nos permite medir la conductividad térmica de casi cualquier material en una amplia gama de condiciones y fue esencial para el éxito de este trabajo".

La forma en que se disipa el calor en el arseniuro de boro y otros cristales está relacionada con las vibraciones del material. Mientras el cristal vibra el movimiento crea paquetes de energía llamados fonones, que se puede considerar como cuasipartículas que transportan calor. Lv dijo que las características únicas de los cristales de arseniuro de boro, incluida la diferencia de masa entre los átomos de boro y arsénico, contribuyen a la capacidad de los fonones para viajar más eficientemente lejos de los cristales.

"Creo que el arseniuro de boro tiene un gran potencial para el futuro de la electrónica, ", Dijo Lv." Sus propiedades semiconductoras son muy comparables a las del silicio, por eso sería ideal incorporar arseniuro de boro en dispositivos semiconductores ".

Lv dijo que si bien el elemento arsénico por sí solo puede ser tóxico para los humanos, una vez que se incorpora a un compuesto como el arseniuro de boro, el material se vuelve muy estable y no tóxico.

El siguiente paso en el trabajo incluirá probar otros procesos para mejorar el crecimiento y las propiedades de este material para aplicaciones a gran escala, Lv dijo.