近期，芯片散热材料领域的研究成果不断有新的突破，它们有一个共同的名字——砷化硼（BAs），相关成果都发表到国际权威学术期刊《科学》上。一是美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究团队首次通过优化半导体晶体生长过程获得导热系数为1000 W/mK的超高导热率砷化硼材料，其次是今天要介绍的加州大学洛杉矶分校（UCLA）首次实验合成了一种新的化合物单晶体——无缺陷砷化硼，导热系数高达1300 W/mK，创下新的历史记录。

为了解决降低计算机芯片性能的“热点”（hotspots）问题，加州大学洛杉矶分校的工程师们开发出一种新的半导体材料，即无缺陷的砷化硼，与任何其他已知的半导体或金属材料相比，无缺陷砷化硼可更高效地吸收和散发废热。

▍研究背景

计算机处理器不断缩小到纳米级，目前单个芯片上可能有数十亿个晶体管。摩尔定律描述了这种现象，该定律预测芯片上的晶体管数量将每两年增加一倍。每一代更小尺寸的芯片都有助于使计算机性能更快、功能更强大以及能够完成更多的工作，但能够做更多的工作也意味着会产生更多的热量。

电子产品的热管理问题越来越成为优化产品性能的最大挑战之一。高热量是一个重大问题的原因包括两方面。首先，随着晶体管尺寸的缩小，在相同的封装尺寸内产生更多的热量。这种高热量会降低处理器的速度，特别是在芯片的“热点”处，这儿是热量集中和温度飙升的区域。其次，大量的能量用于保持这些处理器的冷却。如果中央处理器（CPU）起初就没有那么热，那么它们可以更快地工作，并且需要更少的能量来保持它们的冷却。

▍研究成果

加州大学洛杉矶分校团队首次成功实现无缺陷砷化硼材料，新的材料具有创纪录的高导热率，导热系数高达1300W/mK，导热率是目前使用的碳化硅和铜等材料的三倍以上，因此集中在芯片“热点”处的热量很快就会散去。

上图显示了一个带有“热点”的计算机芯片的示意图（底部）;无缺陷砷化硼的电子显微镜图像（中部）;以及显示砷化硼的电子衍射图案的图像（顶部）。

本研究由加州大学洛杉矶分校机械和航空航天工程助理教授胡永杰领导，研究成果已经发表到《科学》杂志上。该研究成果是胡教授和他的学生多年研究的结晶，包括设计和材料合成、预测建模和温度的精确测量。胡教授表示：“这是一项极具挑战性的工作，需要从精确的材料合成、全面的结构表征到实现精确的热传输测量和理论计算等多学科的专业知识。”

图为研究团队应用超快光谱学进行热测量。研究团队成员从左到右分别为胡永杰教授、Huuduy Nguyen、Man Li、Joonsang Kang和Huan Wu

这一重大研究成果可能会彻底改变计算机处理器和其他电子产品或发光二极管（LED）等基于光的器件的热管理设计。除了对电子和光子器件的影响外，该项研究还揭示了热量如何通过材料流动的物理学的新的基本见解。固体中的热特性可以通过声子的相互作用来描述，即晶格振动的量子力学模式。几十年来，学术界认为三声子过程控制着热传输，而四声子和高阶过程的影响被认为是可以忽略不计的，这实际上是大多数常见材料的真实情况。该项研究表明，高阶非谐性通过四声子过程对无缺陷砷化硼单晶有重要作用，该发现对本理论领域产生了重大影响。

图（a）BAs的晶体结构；（b）高分辨率透射电子显微镜下的无缺陷晶体；（c）BAs比其他的半导体和金属材料有更高的各向同性热导率，仅次于金刚石；（d）在四声子输运机制上的新发现。

▍重大意义

胡教授表示：“这种材料有助于大大提高器件性能，降低各种电子产品的能量需求，从小型器件到最先进的计算机数据中心设备。由于其半导体特性和该技术的扩展能力，新材料具有集成到当前制造工艺的很好的潜力。它可以取代目前最先进的计算机半导体材料，并彻底变革电子行业。”

胡教授还指出：“这一研究的成功体现了在新材料发现过程中实验和理论相结合的力量，我相信这种方法将继续推动许多领域的科学前沿，包括能源、电子和光子应用。”

▍研究支持

该研究由美国国家科学基金会、空军科学研究办公室、美国化学学会石油研究基金会、加州大学洛杉矶分校的可持续洛杉矶重大挑战计划、安东尼和珍妮普利兹克家庭基金会资助。

▍成果发表

Joon Sang Kang, Man Li, Huan Wu, Huuduy Nguyen, Yongjie Hu. Experimental observation of high thermal conductivity in boron arsenide. Science, 2018; eaat5522 DOI: 10.1126/science.aat5522

（本文来源：大国重器微信公众号；）

如若转载，请注明e科网。

如果你有好文章想发表or科研成果想展示推广，可以联系我们或免费注册拥有自己的主页