Los científicos saben desde hace mucho tiempo que el diamante es el mejor material para conducir el calor, pero tiene inconvenientes:es costoso y es un aislante eléctrico; cuando se combina con un dispositivo semiconductor, El diamante se expande a una velocidad diferente a la del dispositivo cuando se calienta.

Ahora, un grupo de investigadores de todo Estados Unidos ha informado que un cristal creado a partir de dos elementos minerales relativamente comunes, el boro y el arsénico, demuestra una conductividad térmica mucho más alta que cualquier otro semiconductor y metal actualmente en uso. incluido el silicio, carburo de silicio, cobre y plata.

El descubrimiento tiene el potencial de abordar una variedad de desafíos tecnológicos, incluidos los dispositivos electrónicos de refrigeración y los nanodispositivos, dijo el físico Zhifeng Ren, un investigador del Centro de Superconductividad de Texas en la Universidad de Houston y uno de los autores correspondientes en el artículo que anuncia el descubrimiento, publicado el jueves, 5 de julio en el diario Ciencias .

La conductividad térmica se mide en la unidad de Wm-1K-1, se usa para denotar la cantidad de calor que puede atravesar un material de un metro de largo cuando la diferencia de temperatura de un lado al otro es de 1 grado Kelvin. El cristal de boro-arseniuro tiene una conductividad superior a 1, 000 a temperatura ambiente, informaron los investigadores.

Cobre, en comparación, tiene una conductividad de aproximadamente 400; el diamante tiene una conductividad térmica informada de 2, 000.

Los esfuerzos informados anteriormente para sintetizar arseniuro de boro han producido cristales que miden menos de 500 micrómetros, demasiado pequeños para una aplicación útil.

Pero los investigadores ahora han informado que crecen cristales de más de 4 milímetros por 2 milímetros por 1 milímetro. Se podría producir un cristal más grande extendiendo el tiempo de crecimiento más allá de los 14 días usados ​​para el experimento, ellos dijeron.

Trabajando con Tom Reinecke en el Laboratorio de Investigación Naval y Lucas Lindsay en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, David Broido, físico teórico del Boston College y uno de los autores del artículo, propuso por primera vez que la combinación podría producir un cristal de alta conductividad térmica, desafiando la teoría convencional de que la conductividad térmica de celosía ultra alta solo podría ocurrir en cristales compuestos de elementos ligeros fuertemente unidos, limitado por procesos anarmónicos de tres fonones.

Este trabajo confirma la teoría, aunque tomó un tiempo. Varios investigadores involucrados en la publicación actual, junto con Bing Lv, entonces investigador de la UH y ahora miembro de la facultad de la Universidad de Texas-Dallas, informó sintetizar un pequeño cristal con una conductividad de aproximadamente 200 en 2015.

El trabajo posterior en el laboratorio de Ren resultó en el mayor, cristal más altamente conductor informado en Ciencias .

Broido llamó a la confirmación un "ejemplo de la interacción colaborativa entre teoría, síntesis y medición de materiales. Que esto se logró y la teoría se confirmó es un testimonio de la persistencia y habilidad de los equipos de síntesis y medición ".

Paul Ching-Wu Chu, T.L.L. Presidente del Templo de Ciencias de la UH y director fundador del Centro de Superconductividad de Texas, dijo que combinar boro con arsénico era un desafío complejo.

"El desajuste entre las propiedades físicas del boro y el arsénico hace que la síntesis de arseniuro de boro sea extremadamente difícil y que los monocristales de arseniuro de boro sean casi imposibles, " él dijo.

Los investigadores crearon el cristal utilizando transporte de vapor químico, complicado por el hecho de que el boro tiene un punto de fusión de 2, 076 grados centígrados, mientras que el arsénico cambia directamente de sólido a gas.

Coautor Shuo Chen, profesor asistente de física en la UH, dijo que el cristal podría ser útil para enfriar dispositivos electrónicos.

"La disipación de calor es fundamental para la electrónica de alta densidad de potencia, "ella dijo." Por lo tanto, los materiales con alta conductividad térmica son necesarios para servir como sustratos en la electrónica de alta densidad de potencia ".

El potencial de un semiconductor con alta conductividad térmica es inmenso, Chen dijo.

"Utilizando pulsos láser de femto-segundo, pudimos medir las conductividades térmicas de los cristales de boro-arseniuro, "agregó Bai Song, un asociado postdoctoral guiado por el profesor Gang Chen en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Esta alta conductividad térmica hace que el arseniuro de boro sea atractivo para aplicaciones microelectrónicas, tanto como materiales para dispositivos como para disipadores de calor".

El proyecto fue financiado por la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria de la Marina de los EE. UU., dirigido por Li Shi, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Texas en Austin.

Shi señaló que los miembros del equipo en UT-Austin y MIT idearon cuatro métodos diferentes para validar el arseniuro de boro como el primer semiconductor conocido con una conductividad térmica tan alta como 1000 Wm-1 K-1 a temperatura ambiente.

El siguiente paso, él dijo, será "explorar tecnologías de dispositivos con cristales a granel de arseniuro de boro".