Houston Üniversitesi’nden araştırmacılar, bor arsenit (BAs) malzemesinin ısı iletim kabiliyetiyle ilgili büyük bir atılım gerçekleştirdi. Yapılan deneyler, yüksek kaliteli kristal formunda üretildiğinde bor arsenitin, oda sıcaklığında 2.100 watt/metre-Kelvin (W/mK) üzeri ısı iletkenliğine ulaşabildiğini gösterdi. Bu değer, uzun süredir en iyi izotropik ısı iletkeni olarak kabul edilen elmasın ötesine geçiyor.
Bu gelişme akıllı telefonlardan yüksek performanslı elektroniklere ve büyük veri merkezlerine kadar, ısı yönetiminde çığır açabilecek yarı iletken malzemelerin önünü açıyor.
Son on yılda, yapay bir malzeme olan bor arsenitin elmasla rekabet edebilecek ya da onu aşabilecek bir ısı iletkenliği düzeyine sahip olabileceği teorik olarak öne sürülmüştü. 2013 yılında Boston College fizikçisi David Broido ve ekibi, BAs kristallerinin bu düzeye ulaşabileceğini tahmin etmişti.
Ancak 2017’de, daha karmaşık bir süreç olan dört-fonon saçılımını (four-phonon scattering) da içeren revize modeller, BAs’ın ısı iletkenliğini 1.360 W/mK ile sınırlandırdı. Bu da birçok bilim insanının, gelecekte daha yüksek değerlere ulaşma ihtimalini göz ardı etmesine neden oldu.
Ren ve ekibi ise, daha saf kaynak malzemeleri kullanarak kristallerdeki kusurları azaltmanın iletkenliği artırabileceğine inandı. Çünkü önceki örneklerde ölçülen yaklaşık 1.300 W/mK’lık değerler, çok sayıda yapısal kusur içeren kristallerden elde edilmişti.
Ekip, ham arsenik malzemesini saflaştırarak ve sentez tekniklerini geliştirerek daha temiz kristaller üretti. Bu sayede 2.100 W/mK’yi aşan ısı iletkenliği değerine ulaşıldı ve teorik sınırların ötesine geçilerek rekor kırıldı.
Bu keşif, bor arseniti elektronik ve ısıl yönetim teknolojilerinde potansiyel bir “oyun değiştirici” konumuna getiriyor.
Elmasın ısı iletimini aşmakla kalmıyor, aynı zamanda endüstrinin mevcut standardı olan silisyumdan (Si) da daha iyi bir yarı iletken performansı sergiliyor.
Bor arsenitin temel avantajları şunlar:
Elmas üretiminde olduğu gibi yüksek sıcaklık ve basınç gerektirmediği için daha kolay ve ucuz üretilebiliyor.
Hem mükemmel bir ısı iletkeni hem de etkili bir yarı iletken.
Silisyuma kıyasla daha geniş bant aralığı, daha yüksek elektron ve delik hareketliliği ve daha iyi termal genleşme uyumu gibi üstün fiziksel özelliklere sahip.
