▲美国德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员在合作方协助下，制备并表征了砷化硼晶体。图为砷化硼晶体的电子显微镜照片。由于砷化硼晶体具有高导热性，或许可以用于防止小型、高性能电子设备过热。
用计算机玩数小时游戏，或在手机上同时打开很多软件，它们就会开始发热。如果不能将电子设备的内部热量及时转移到外部环境，过热的芯片会使程序运行变得缓慢或直接关闭，甚至会对电子设备造成永久性损害。随着消费者对更小型、高速和高性能电子设备的需求日益高涨，电子设备内部产生的热量也越来越高，热量管理问题已经成为制约其发展的瓶颈。
据《科学》7月5日在线出版的论文报道，通过与美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和休斯顿大学等进行合作，美国德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员提出了一种可能的解决方案。德大自然科学与数学学院物理学助理教授吕冰（音译）及其同事制造了一种具有良好导热性的半导体材料——砷化硼晶体。
论文通信作者吕冰说：“对于依赖计算机芯片和晶体管的领域来讲，热量管理非常重要。高性能小型电子设备既无法使用金属散热（可导致短路），也无法使用冷却风扇散热（占据空间）。因此，我们需要一种廉价的半导体材料来分散热量。”目前，绝大多数计算机芯片是由硅元素构成的。作为一种晶体半导体材料，硅可以有效地分散热量，但结合其他冷却技术用于电子设备中时能力有限。
在已知材料中，钻石的导热系数为2200W/m•K，比硅（150W/m•K）高得多，似乎是一种理想的电子设备散热材料。然而，吕认为虽然钻石有过应用于散热的案例，但由于天然钻石成本过高、人造金刚石薄膜存在结构缺陷，将钻石用于电子设备散热并不现实。2013年，波士顿学院和海军研究实验室的研究人员在一份研究报告中预测，砷化硼可能与钻石的散热性能相当。2015年，吕及其休斯顿大学的同事成功制备了砷化硼晶体，但其导热系数较小（200W/m•K）。此后，吕的工作重点转为优化砷化硼晶体的培育过程，以提升材料性能。吕说：“过去3年中，我们一直致力于砷化硼的优化工作。目前，砷化硼的导热系数已经达到1000 W/m•K，仅次于钻石。”
吕与博士后研究员、论文共同的第一作者李胜（音译），以及论文合著者、物理学博士生刘小源（音译）在德大采用“化学气相传输”技术制备了具有高导热率的砷化硼。为提高砷化硼的导热系数，吕等对温度、压力、原材料等诸多参数进行了调整。伊大的大卫•卡希尔（David Cahill）和黄品贤（音译）等也为改进砷化硼性能作出了重要贡献。他们采用先进的电镜技术研究了砷化硼晶体的缺陷，并利用“时域热电阻（TDTR）”方法测量了砷化硼微晶的导热系数。
吕说：“砷化硼在未来电子产品制造业中颇具潜力。它的半导体特性与硅相似且稳定无毒，是用于半导体设备的理想选择之一。”吕表示，他们的下一步工作是尝试使用其他方法改善砷化硼的制备过程和性能，为其规模化应用作准备。
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编译：雷鑫宇 审稿：alone 编辑：程建兰
来源：https://phys.org/news/2018-07-heat-conducting-crystals-chips-cool.html
