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Science三弹齐发, 物理学又一次组团登顶,砷化硼火了!

好事扎堆,顶刊抱团,聪明的脑袋总是想到一块去了!

2018-8-10凌晨,Science连发三篇关于砷化硼热导率的文章,物理学又一次组团登顶!

 

基本情况介绍:

    材料要想实现超高热导率是很难的,原因在于材料合成过程中很难避免产生缺陷,而这些缺陷会阻碍传热。这三篇Science出自三个不同课题组,分别合成了超纯的砷化硼(BAs),实现热导率高达1000 W m-1 K-1以上.这一数值是钻石的一半,是其他常规材料的两倍!如果能够普及应用,计算机散热以后应该不是问题啦!

 

Science三弹齐发, 物理学又一次组团登顶,砷化硼火了!

第一作者:Joon Sang Kang

通讯作者:胡永杰

通讯单位: 加州大学洛杉矶分校

本文亮点:

理论计算表明砷化硼的单晶能够实现超高热导率,本文采用实验手段证实了这一理论结果,本文首次合成了无缺陷的BAs单晶,其室温热导率高达1300 W m-1 K-1,是目前工业界最佳材料,碳化硅和铜的三倍以上. 结合光谱学和原子理论,作者提出BAs独特的能带结构允许非常长的声子平均自由程和强大的高阶非谐性,从而通过四声子过程发挥作用。单晶BAs的热导率远超其他金属和半导体,可作为热管理应用的基准材料。

Science三弹齐发, 物理学又一次组团登顶,砷化硼火了!

图1. 单晶BAs的结构表征

 

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图2. 热传输测试

 

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图3. 声子自由程检测

 

胡永杰教授师从纳米材料鼻祖哈佛大学Charles Lieber和纳米传热泰斗麻省理工陈刚教授,在纳米电子学,量子物理,和纳米传热学等多个领域颇多建树。

 

Science三弹齐发, 物理学又一次组团登顶,砷化硼火了!

第一作者:Sheng Li、Qiye Zheng

讯作者:David G.Cahill、Bing Lv

通讯单位:伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、德克萨斯大学达拉斯分校

 

本文亮点:

采用改进的化学气相沉积技术成功得到了超高热导率的立方砷化硼,其热导率为1000 ± 90  W m-1 K-1,仅次于金刚石,是氮化硅的三倍。这一结果成功验证了理论计算的预测,BAs超高性能导热材料在大功率电子器件的热量管理中可能有重要应用。

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图1. 立方BAs的结构表征

 

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图2. 热导率测量

 

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图3. BAs的拉曼光谱和热导率

 

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Science三弹齐发, 物理学又一次组团登顶,砷化硼火了!

第一作者:Fei Tian、Bai Song、Xi Chen

通讯作者:David Broido、Li Shi、陈刚、任志锋

通讯单位: 波士顿学院、德克萨斯大学奥斯汀分校、麻省理工学院、休斯顿大学

 

本文亮点:

固体中的热性质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,理论家认为三声子过程控制着热传输,四声子和高阶过程的影响被认为是微不足道的,高导热材料一定是由轻元素键合而成。本文报道了一种超高热导率的砷化硼材料,硼和砷分别是轻元素和重元素,其室温平均热导率900 W m-1 K-1,局部热导率超过1000 W m-1 K-1,以坚实的实验证据打破了传统理论限制,四声子等高阶非谐性过程对高热导的重要贡献得以证实。

Science三弹齐发, 物理学又一次组团登顶,砷化硼火了!

图1. BAs的STEM图片

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图2. TDTR和FDTR 测试

 

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图3. 热导率测试

Science三弹齐发, 物理学又一次组团登顶,砷化硼火了!

图4. Steady-state comparative and lock-in Raman thermometry measurements.

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