Científicos de UCLA, por primera vez, realizado experimentalmente un nuevo monocristal compuesto, arseniuro de boro (BA) y exploró su límite de conductividad térmica cuando los cristales están libres de defectos. Observaron la conductividad térmica isotrópica más alta, 1300 W / mK, más allá de todos los metales y semiconductores comunes. Este estudio estableció un nuevo punto de referencia en materiales térmicos que podría revolucionar las tecnologías de gestión térmica en electrónica y fotónica. Este trabajo se informa en el artículo "Observación experimental de alta conductividad térmica en arseniuro de boro, "publicado en línea esta semana en Ciencias .

Los investigadores han desarrollado un material semiconductor térmicamente ultraconductor que podría reducir drásticamente la temperatura de calentamiento y eliminar de manera eficiente el calor residual generado por las computadoras y otros dispositivos electrónicos o fotónicos. Es más eficaz para alejar el calor de los puntos calientes que cualquier otro semiconductor o metal y podría revolucionar los paradigmas tecnológicos actuales para la gestión térmica de la electrónica. El estudio fue dirigido por el profesor Yongjie Hu de ingeniería mecánica y aeroespacial, y todos los demás autores son estudiantes graduados de UCLA del grupo de investigación de Hu (H-Lab):Joonsang Kang, Hombre Li, Huan Wu, y Huuduy Nguyen.

Las computadoras se calientan porque los electrones que viajan a través de los procesadores y circuitos generan calor a medida que se mueven, por ejemplo, su interacción con las celosías. El calor degrada el rendimiento informático, por lo que evitar que los procesadores de las computadoras se calienten demasiado es la razón por la que los teléfonos inteligentes tienen un disipador de calor, o por qué las computadoras de escritorio tienen ventiladores para expulsar el aire caliente. Los grandes centros de datos con miles de computadoras requieren mucha energía adicional para sus sistemas de enfriamiento de alta tecnología.

A medida que los procesadores de computadora han seguido reduciéndose a tamaños en los que miles de millones de transistores están en un solo chip, el calor se ha convertido cada vez más en un factor importante en su rendimiento. Si esas CPU no se calentaron tanto en primer lugar, entonces se necesitaría mucha menos energía para mantenerlos frescos. La gestión de ese calor es uno de los mayores obstáculos para los nuevos dispositivos como procesadores de computadora o LED.

Con ese objetivo en mente, el equipo de UCLA se propuso desarrollar un material semiconductor que sea mucho mejor en la gestión del calor que los actuales de mejor rendimiento.

Este equipo de UCLA informó por primera vez, la realización experimental de arseniuro de boro libre de defectos con la mayor conductividad térmica (1300 W / mK) entre todos los materiales semiconductores y metales comunes. El calor que se concentra en los puntos calientes de los chips de computadora se disipa y elimina rápidamente debido a sus propiedades estructurales y térmicas únicas. El nuevo material es tres veces más conductor que el carburo de silicio y el cobre, los mejores materiales actuales en uso en la industria de gestión del calor.

"Este es un trabajo muy desafiante que requiere una experiencia altamente multidisciplinaria a partir de una síntesis de materiales precisa, caracterizaciones estructurales integrales, para mediciones precisas del transporte térmico y cálculos teóricos, "dice Yongjie Hu, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de UCLA. "Mi grupo se ha dedicado a este esfuerzo durante los últimos años desde que me incorporé a la facultad de UCLA y estamos muy contentos de que nuestro arduo trabajo valió la pena. El resultado estableció una plataforma de material térmico de referencia para muchas oportunidades tanto en ciencias fundamentales como en aplicaciones . "

Este estudio también revela una física importante de los mecanismos de transporte térmico. Las propiedades térmicas en los sólidos se pueden describir mediante las interacciones de fonones, es decir, los modos mecánicos cuánticos de vibraciones reticulares. Durante muchas décadas, Los teóricos consideran que el proceso de tres fonones gobierna el transporte térmico, y se creía que los efectos de los procesos de cuatro fonones y de orden superior eran insignificantes, que en realidad es el caso de la mayoría de los materiales comunes. Este estudio tiene un impacto significativo en el campo de la teoría al mostrar que la anarmonicidad de alto orden a través del proceso de cuatro fonones hace una contribución importante en los monocristales de BA sin defectos. La conclusión ha sido apoyada por su medición experimental, en comparación con los cálculos ab initio de grupos de investigación independientes y el grupo de Hu. Es más, el estudio sondeó la física del transporte térmico balístico y explicó el origen de la conductividad térmica ultra alta de los BA debido a sus largos caminos libres de media de fonones.

"Este logro y celebración debe ir a todo el campo, ", Dijo Hu." Hay muchos otros grupos de investigación líderes que están avanzando hacia este objetivo. En particular, este éxito ejemplifica el poder de combinar experimentos y teoría ab initio en el descubrimiento de nuevos materiales, y creo que este enfoque continuará ampliando las fronteras científicas en el descubrimiento de nuevos materiales para muchas áreas, incluida la energía, electrónica, y aplicaciones fotónicas ".