美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校和德克薩斯大學達拉斯分校的研究人員合作優化了化合物半導體砷化硼（BA）的晶體生長過程，砷化硼材料具有優異的熱性能并能有效地散發出電子設備產生的熱量。該研究結果發表2018年7月5日的美國《科學》雜志上，標志著先前預測的一類超高導熱率材料的首次實現。

研究背景

隨著我們繼續構建更小、更快、更強大的電子設備，尋找防止計算機芯片過熱的方法變得越來越具有挑戰性，可將其稱為一個真正開始“升溫”的問題。

大多數計算機芯片是由硅制成的，硅是一種結晶半導體材料，能夠充分散熱。但是新型的器件吸引更多的電流并產生更多的熱量，即使在器件中加入其他冷卻技術，硅的散熱能力也已經達到極限。

德克薩斯大學達拉斯分校物理學助理教授Bing Lv表示：“對于高功率的小型電子產品，我們不能使用金屬來散熱，因為金屬會導致短路，我們無法應用冷卻風扇因為空間有限。雖然金剛石偶爾被用到要求嚴格的散熱應用中，但天然金剛石的成本和人造金剛石薄膜的結構缺陷使得這種材料在電子產品中的廣泛應用變得不切實際。我們需要的是一種廉價的半導體，且能散發出大量的熱量?！?/p>

研究內容及結果

研究成果砷化硼是一種具有極高導熱性的半導體材料，但它不是天然存在的材料，因此科學家必須在實驗室中對其進行合成。該材料還需要具有非常特殊的結構和低缺陷密度，以使其具有峰值導熱率，從而使其生長以非常受控的方式發生。

Bing Lv和他的同事已經生產出砷化硼晶體，他們過去三年的工作重點是提高砷化硼的性能。先前的研究曾預測砷化硼散熱性能可同熱導率最高的金剛石材料相媲美。雖然金剛石廣泛應用到電子產品中是不切實際的，但其導熱系數約為2200 W/mK。相比之下，硅的導熱系數約為150 W/mK。Bing Lv的前期工作產生了導熱系數約為200 W/mK的砷化硼晶體，通過優化晶體生長過程，Bing Lv和他的團隊已經設法將該值提高到約1000 W/mK。

圖為用電子顯微鏡成像的砷化硼晶體

Bing Lv 表示：“要從之前的200 W/mK提升到1000 W/mK，我們需要調整許多參數，包括我們開始使用的原材料、生長爐的溫度和壓力，甚至我們使用的管子類型以及我們如何清潔設備?！眱灮^程涉及一種稱為化學氣相傳輸的技術，它通過生長爐內的溫差產生砷化硼晶體。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校博士后研究員Qiye Zheng說:“元素硼和砷在氣相中結合，然后冷卻并凝結成小晶體。我們結合了廣泛的材料表征和試錯合成，找到了生產高質量晶體的條件?！?/p>

為了測量砷化硼晶體的導熱系數，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究小組采用了一種稱為“時域熱反射”（TDTR）的方法。該方法是過去的12年里在伊利諾伊大學開發的。伊利諾伊大學材料科學與工程系主任兼本研究論文的通訊作者David Cahill教授表示：“TDTR方法使我們能夠在各種條件下測量幾乎所有材料的導熱系數，該方法對于這項工作的成功至關重要。”

Qiye Zheng表示：“我們測量了本研究中生產的數十種砷化硼晶體，發現該材料的導熱系數比目前用作散熱器的最佳材料高三倍?！?/p>

圖為David Cahill教授

重大意義

Bing Lv指出：“我認為砷化硼對未來電子產品的發展潛力巨大。它的半導體特性與硅非常相似，這就是將砷化硼加入半導體器件理想選擇的原因?！?/p>

下一步工作

研究人員表示，該研究工作的下一步將是嘗試其他工藝來改善這種材料在大規模應用中的生長和性能。

項目支持

這項研究工作由美國海軍研究辦公室和空軍科學研究辦公室支持。

成果發表

“High thermal conductivity in cubic boron arsenide crystals”. DOI: 10.1126/science.aat8982