Если ваш ноутбук или мобильный становятся теплыми после нескольких часов, проведённых в игре, или запуска слишком большого количества приложений одновременно, то фактически, эти устройства выполняют свою работу. Перенос тепла от внутренних электронных схем компьютера ко внешней среде является крайне необходимым: перегретые компьютерные чипы могут замедлить процесс работы или вызвать зависание программы, полностью отключить устройство или даже нанести серьёзное повреждение.
Поскольку среди потребителей растёт спрос на более маленькие, быстрые и мощные электронные устройства, которые потребляют больше тока и, соответственно, выделяют больше тепла, проблема регулирования теплообмена становится критической. При существующих технологиях существует ограничение на количество тепла, которое может быть передано изнутри.
Исследователи из Техасского университета (UT) в Далласе совместно с коллегами из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Хьюстонского университета недавно придумали потенциальное решение этой проблемы. Бинг Лю, доцент физики Техасского университета, и его коллеги создали кристаллы полупроводникового материала, называемого арсенидом (соединение мышьяка с металлом) бора с чрезвычайно высокой теплопроводностью, свойство, которое отвечает за способность материала переносить тепло.
«Регулирование теплообмена очень важно в отраслях, которые полагаются на компьютерные чипы и транзисторы», – говорит Лю. «Для мощной электроники небольших размеров мы не можем использовать металл для рассеивания тепла, потому что он может вызвать короткое замыкание. Мы не можем применить вентиляторы системы охлаждения, потому что они занимают место. Нам необходим недорогой полупроводник, который также способен рассеивать большое количество тепла".
Большинство современных компьютерных чипов сделаны из элемента кремния, кристаллического полупроводникового материала, который выполняет хорошую работу по рассеиванию тепла. Но кремний, в сочетании с другими технологиями охлаждения, встроенными в устройства, может справиться только с ограниченным количеством.
Алмаз имеет самую высокую из известных теплопроводность – около 2200 Вт на метр на кельвин, по сравнению с приблизительно 150 Вт на метр на кельвин кремния. Хотя алмаз иногда и использовался для рассеивания тепла в довольно требовательных областях применений, стоимость природных алмазов и структурные дефекты в искусственных алмазных пленках делает материал непригодным для широкого использования в электронике, говорит Лю.
В 2013 году исследователи из Бостонского колледжа и Военно-морской исследовательской лаборатории США опубликовали исследования, в которых прогнозировалось, что арсенид бора потенциально может функционировать также хорошо, как и алмаз при рассеивании тепла. В 2015 году Лю и его коллеги из Хьюстонского университета успешно произвели такие кристаллы арсенида бора, но материал имел довольно низкую теплопроводность, около 200 Вт на метр на кельвин.
С тех пор работа Лю в Техасском университете в Далласе была сосредоточена на оптимизации процесса выращивания кристаллов для повышения производительности материала. «Мы работаем над этим исследованием на протяжении последних трех лет, и, наконец, теперь мы получили теплопроводность до 1000 Вт на метр на кельвин, что уступает только алмазу некоторых материалах», – радостно делится исследователь.
Лю с коллегами работали над синтезом кристаллов с высокой теплопроводностью при помощи техники, называемой химический перенос из газовой фазы. Сырье – элементы бора и мышьяка – помещаются в камеру, горячую в одном её конце и холодную – в другом. Затем другой химикат переносит бор и мышьяк с горячего конца камеры на более холодный конец, где элементы объединяются для образования кристаллов.
«Для значительного перехода от наших предыдущих результатов в 200 Вт на метр на кельвин до 1000 Вт на метр на кельвин, нам нужно было отрегулировать многие параметры, включая исходные материалы, с которых мы начали, температуру и давление в камере, даже тип насосно-компрессорных труб, которые мы использовали, и метод очистки оборудования», – сказал Лю.
Исследования Дэвида Кэхилла и Пиншана Хуана в Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне сыграли ключевую роль в текущей работе. Они изучили дефекты в кристаллах арсенида бора с использованием современной электронной микроскопии и измерили теплопроводность очень малых кристаллов, полученных в Техасском университете в Далласе.
«Последние 12 лет мы измеряем теплопроводность, используя метод, разработанный в Иллинойсе и называемый «терморефлексией (коэффициент отражения теплового излучения) во временной области», – объяснил профессор Кэхилл. «Этот метод позволяет измерять теплопроводность практически любого материала в широком диапазоне параметров, и он имел огромное значение для успеха этой работы».
То, как тепло рассеивается в арсениде бора и других кристаллах, связано с вибрациями в материале. Когда кристалл вибрирует, движение создает пакеты энергии, называемые фононами, которые можно рассматривать как квазичастицы, несущие тепло. Согласно утверждениям Лю, уникальные особенности кристаллов арсенида бора, включая огромную разницу между атомами бора и мышьяка, способствуют возможности фононов более эффективно отдаляться от кристаллов.
«Я думаю, что арсенид бора имеет большой потенциал для будущего электроники», – говорит Лю. «Его полупроводниковые свойства очень схожи с кремнием, поэтому было бы идеальным включить арсенид бора в полупроводниковые приборы». Он также добавил, что хотя элемент мышьяка сам по себе может быть токсичным для человека, как только он включается в соединение, такое как арсенид бора, материал становится очень стабильным и абсолютно нетоксичным.
Дальнейшая работа будет включать в себя испытание других процессов для улучшения роста и свойств этого материала для широкомасштабных применений в будущем.
