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北大研究超高热导率半导体探索中获突破

时间:2020-02-27 作者:专家委 点击:100

热导率是衡量材料导热能力的核心物性。所有已知材料在室温下的热导率都分布在大约0.01—1000Wm-1K-1这一范围。比如硅和铜的热导率在100Wm-1K-1这一数量级比较高,可以有效帮助电脑和手机保持较低的工作温度。然而,随着先进微电子芯片内部的热流密度越来越高,为了保证有效散热,对于具有超高热导率的材料的要求也越来越紧迫。
 
  钻石在室温下的热导率大约是2000Wm-1K-1,自1953年至今,一直都是公认的热导率较高的块材。然而高质量的钻石既稀少又昂贵,不适合广泛用于散热。石墨是钻石的同素异构体,其面向热导率接近钻石,价格也便宜很多,然而垂直面向的热导率只有面向的1/300。
 
  人们探索室温热导率超过1000Wm-1K-1的超级导热材料,已经有几十年的历史,然而一直没有实质性的突破;直到2013年,基于第一性原理的计算预测了半导体砷化硼晶体的热导率可能与钻石相当。这个预测很出乎意料,因为基于一些久经实验检验的基本规律,至少自1973年以来,人们普遍认为砷化硼的热导率只有大约200Wm-1K-1。
 
  紧接着,三个独立研究组在2018年同时在国际期刊Science报道了高质量砷化硼晶体的生长及其热导率的实验测量。高达约1200Wm-1K-1使得砷化硼成为热导率较高的非碳材料,在所有各向同性材料中仅次于钻石。
 
  图A为两块高质量天然同位素丰度立方氮化硼晶体的光学照片;图B为立方氮化硼、砷化硼以及钻石等超级导热材料在不同温度下的热导率
 
  北京大学工学院宋柏特聘研究员在麻省理工学院从事博士后研究期间,参与主导了2018年关于砷化硼晶体的三个实验工作之一。自2019年1月起,宋柏入职北大。2020年1月9日,宋柏与合作者再次于Science杂志报道了有关新型超级导热材料的发现。
 
  这一次的超高热导率材料是半导体立方氮化硼晶体。虽然室温下天然同位素丰度的立方氮化硼晶体热导率只有大约850Wm-1K-1,然而经过硼同位素的富集,在包含约99%的硼-10或硼-11的立方氮化硼晶体中,观测到超过1600 Wm-1K-1的热导率。
 
  这一数值大大超过砷化硼,也就意味着硼同位素富集的立方氮化硼晶体已经取代砷化硼,成为较好的非碳及各向同性的导热材料。同样值得注意的是,实验上通过同位素富集把热导率提高约90%,这也是迄今为止观测到的最大同位素热效应。
 
  宋柏及合作者之所以能够得到超高热导率,主要是消除了天然丰度立方氮化硼晶体中,由于硼-10和硼-11两种同位素混合而产生的对于热流的阻力。第一性原理计算揭示,立方氮化硼里这一巨大同位素效应的产生,主要是由于硼-10和硼-11这两种同位素的相对质量差别较大,同为三五族半导体,砷化硼和磷化硼这两种晶体与立方氮化硼十分相似。
 
  然而对于砷化硼和磷化硼的实验和理论研究只发现了很小的同位素效应。原来随着与硼原子搭配的原子质量逐渐增大(从氮到磷再到砷),由于两种硼同位素混合而存在的质量无序度变得越来越不重要;对于热流来说,几乎已经不可见了。
 
  立方氮化硼晶体具有超高的硬度和化学耐受力,用于机械加工,可以胜任很多钻石工具难以工作的尖端制造环境(如高温)。立方氮化硼还具有非常宽的能带间隙,是制造紫外光电器件的上好材料。拥有如此优异的力学、化学、电学以及光学性质,再加上如此少见的超高热导率,立方氮化硼晶体在很多涉及大功率、高温以及高光子能量的关键热管理应用中前景广阔。

(来源:专家委 )