Материал с теплопроводностью лучше, чем у алмаза, найден в ходе численного эксперимента

Открытие факта, что кубический арсенид бора является соперником алмаза по теплопроводности, стало сюрпризом для физиков-теоретиков из Boston College и Naval Research Laboratory. Но выполненный ими анализ помог пролить свет на причины необычной способности этого материала, которая в будущем может облегчить создание более компактных, быстрых и производительных микроэлектронных устройств.

Алмаз, наряду с его ювелирной ценностью, является лучшим известным проводником тепла при комнатных температурах. По этому параметру, составляющему у него более 2000 Вт/м·К, алмаз в 5 раз превосходит металлы, такие как медь. Сегодня алмазы довольно широко применяются для отвода тепла от горячих точек микросхем, однако природные их кристаллы редки и дороги, а получение синтетических алмазов — весьма трудоемкий и тоже недешевый процесс.

Высокая теплопроводность алмаза вполне понятна: она обусловлена малой массой составляющих кристалл атомов углерода и прочностью химических связей между ними. С другой стороны, от арсенида бора — на основании общепринятых оценочных критериев — ожидали теплопроводности в 10 раз меньшей, чем у алмаза. Фактически, ввиду очевидной бесперспективности, до последнего времени измерением этой характеристики у арсенида бора никто не занимался.

Данный материал попал в поле зрения коллектива исследователей, занимавшихся проверкой разработанного ими нового метода вычисления теплопроводности. Продемонстрировавший свою точность на многих уже хорошо изученных веществах метод показал необычно высокие результаты для арсенида бора. Как сообщается в журнале Physical Review Letters, оказалось, что этот материал примерно соответствует алмазу в комнатных условиях и превосходит его при более высоких температурах.

В металлах тепловая энергия переносится электронами, однако, арсенид бора, как и алмаз, является диэлектриком, и теплопроводность в нем обеспечивается колебаниями атомов кристаллической решетки, распространяющимися в виде волн. Расчеты показали, что на определенных частотах вероятность взаимодействия между этими упругими волнами значительно снижается, благодаря чему уменьшается внутреннее сопротивление потоку тепла. Именно на этих частотах материал демонстрирует свою рекордную теплопроводность.

«Обеспечивая новый взгляд на физику теплового транспорта эта работа показывает возможность применения современных вычислительных методов для численной характеризации материалов, чьи тепловые свойства еще неизвестны, — отмечает соавтор статьи, профессор физики из Boston College Дэвид Бройдо (David Broido). — Если результаты, полученные для арсенида бора, будут подтверждены измерениями, это откроет для данного материала новые возможности применения в системах пассивного охлаждения».