Des chercheurs de l'Université de Houston ont fait une découverte en matière de conductivité thermique qui renverse une théorie existante selon laquelle l'arséniure de bore (BA) ne pouvait pas rivaliser avec la conduction thermique d'un diamant.
Au lieu de cela, l’équipe a découvert que les cristaux de haute qualité peuvent atteindre une conductivité thermique supérieure à 2 100 watts par mètre par Kelvin (W/mK) à température ambiante, peut-être supérieure à celle du diamant, considéré comme le meilleur conducteur de chaleur parmi les matériaux isotropes.
Publié dans Les matériaux aujourd'huicette recherche remet en question les théories existantes et pourrait remodeler notre compréhension des matériaux conducteurs de chaleur. Cela pourrait également donner naissance à un nouveau matériau semi-conducteur offrant une bien meilleure gestion thermique dans les téléphones portables, les appareils électroniques de haute puissance et les centres de données.
« Nous faisons confiance à nos mesures ; nos données sont correctes et cela signifie que la théorie doit être corrigée », a déclaré Zhifeng Ren, auteur correspondant et professeur au Département de physique du Collège des sciences naturelles et des mathématiques de l'UH. « Je ne dis pas que la théorie est fausse, mais un ajustement doit être fait pour être cohérent avec les données expérimentales. »
Briser la barrière
L'étude est le fruit d'une collaboration entre le Texas Center for Superconductivity de l'UH, dirigé par Ren, et des chercheurs de l'Université de Californie à Santa Barbara et du Boston College.
Au cours de la dernière décennie, l'arséniure de bore, un matériau synthétique, a été théorisé pour rivaliser ou surpasser la conductivité thermique du diamant, ou sa capacité à évacuer efficacement la chaleur des produits.
En 2013, le physicien David Broido du Boston College, co-auteur de l'étude, et d'autres ont prédit que les cristaux de BAs pourraient fonctionner à ce niveau.
Mais selon Ren, en 2017, des modèles révisés ajoutant une diffusion à quatre phonons – un processus plus complexe que les modèles à trois phonons utilisés auparavant – ont plafonné les BA à 1 360 W/mK, ce qui a amené la plupart des chercheurs à rejeter le potentiel d'une conductivité thermique plus élevée dans les expériences futures.
Ren et ses collègues chercheurs pensaient cependant que l'utilisation de matériaux sources d'une plus grande pureté améliorerait la conductivité thermique, car de nombreux défauts existaient dans les échantillons montrant une conductivité thermique d'environ 1 300 W/mK. Les prédictions étaient basées sur des cristaux de BAs parfaits, et les scientifiques ont réussi à atteindre expérimentalement le niveau de chaleur prévu en utilisant des échantillons présentant des défauts importants.
En purifiant l’arsenic brut et en améliorant les techniques de synthèse, l’équipe a produit des cristaux plus propres qui présentaient une conductivité thermique supérieure à 2 100 W/mK – et avec eux, une conductivité thermique record qui dépassait les attentes théoriques.
Pourquoi c'est important
Cette découverte positionne les BA comme un révolutionnaire potentiel en matière d’électronique et de gestion thermique. Il surpasse non seulement le diamant en termes de conduction thermique, mais également le silicium, la norme industrielle actuelle, en tant que semi-conducteur.
Les principaux avantages de l’arséniure de bore comprennent :
- Il est plus facile et moins cher à fabriquer que les diamants, éliminant ainsi le besoin de températures et de pressions extrêmes.
- C'est non seulement un conducteur thermique exceptionnel mais aussi un semi-conducteur efficace.
- Il a le potentiel d'offrir de meilleures performances semi-conductrices que le silicium en raison de ses propriétés telles qu'une conductivité thermique élevée, une bande interdite plus large, une mobilité des porteurs beaucoup plus élevée dans les électrons et les trous et un coefficient de dilatation thermique bien adapté.
« Ce nouveau matériel est tellement merveilleux », a déclaré Ren. « Il possède les meilleures propriétés d'un bon semi-conducteur et d'un bon conducteur thermique – toutes sortes de bonnes propriétés dans un seul matériau. Cela ne s'est jamais produit dans d'autres matériaux semi-conducteurs. »
Malgré ces progrès, le travail est loin d’être terminé. Les chercheurs du Texas Center for Superconductivity continueront à affiner leurs matériaux, ce qui, espèrent-ils, poussera la conductivité thermique des BA encore plus haut.
Ren invite les théoriciens à réexaminer les modèles de conductivité thermique et à repousser les limites théoriques, voire à débloquer des matériaux encore meilleurs à l'avenir.
« Vous ne devriez pas laisser une théorie vous empêcher de découvrir quelque chose d'encore plus grand, et c'est exactement ce qui s'est produit dans ce travail », a déclaré Ren.
