Les scientifiques savent depuis longtemps que le diamant est le meilleur matériau pour conduire la chaleur, mais il présente des inconvénients :il est coûteux et est un isolant électrique; lorsqu'il est associé à un dispositif semi-conducteur, le diamant se dilate à une vitesse différente de celle de l'appareil lorsqu'il est chauffé.

Maintenant, un groupe de chercheurs de partout aux États-Unis a signalé qu'un cristal cultivé à partir de deux éléments minéraux relativement communs - le bore et l'arsenic - présente une conductivité thermique bien plus élevée que tout autre semi-conducteur et métal actuellement utilisé, y compris le silicium, carbure de silicium, cuivre et argent.

La découverte a le potentiel de relever un éventail de défis technologiques, y compris le refroidissement des appareils électroniques et des nanodispositifs, dit le physicien Zhifeng Ren, un chercheur du Texas Center for Superconductivity de l'Université de Houston et l'un des auteurs correspondants de l'article annonçant la découverte, publié jeudi, 5 juillet dans la revue Science .

La conductivité thermique est mesurée dans l'unité de Wm-1K-1, utilisé pour désigner la quantité de chaleur qui peut traverser un matériau d'un mètre de long lorsque la différence de température d'un côté à l'autre est de 1 degré Kelvin. Le cristal d'arséniure de bore a une conductivité supérieure à 1, 000 à température ambiante, les chercheurs ont rapporté.

Le cuivre, par comparaison, a une conductivité d'environ 400; le diamant a une conductivité thermique rapportée de 2, 000.

Les précédents efforts rapportés pour synthétiser l'arséniure de bore ont donné des cristaux mesurant moins de 500 micromètres, trop petits pour une application utile.

Mais les chercheurs ont maintenant signalé la croissance de cristaux de plus de 4 millimètres sur 2 millimètres sur 1 millimètre. Un cristal plus gros pourrait être produit en prolongeant le temps de croissance au-delà des 14 jours utilisés pour l'expérience, ils ont dit.

Travaillant avec Tom Reinecke au Naval Research Lab et Lucas Lindsay au Oak Ridge National Laboratory, David Broido, un physicien théoricien au Boston College et l'un des auteurs de l'article, a d'abord proposé que la combinaison pourrait donner un cristal à haute conductivité thermique, défiant la théorie conventionnelle selon laquelle une conductivité thermique ultra-élevée ne pourrait se produire que dans des cristaux composés d'éléments légers fortement liés, limité par des processus anharmoniques à trois phonons.

Ce travail confirme la théorie, même si cela a pris du temps. Plusieurs chercheurs impliqués dans la présente publication, avec Bing Lv, puis chercheur à l'UH et maintenant membre du corps professoral de l'Université du Texas-Dallas, ont rapporté avoir synthétisé un petit cristal avec une conductivité d'environ 200 en 2015.

Des travaux ultérieurs dans le laboratoire de Ren ont abouti à la plus grande, cristal plus hautement conducteur rapporté dans Science .

Broido a qualifié la confirmation d'« exemple d'interaction collaborative entre la théorie, synthèse et mesure des matériaux. Que cela ait été accompli et que la théorie ait été confirmée témoigne de la persévérance et de la compétence des équipes de synthèse et de mesure. »

Paul Ching-Wu Chu, T.L.L. Temple Chair of Science à l'UH et directeur fondateur du Texas Center for Superconductivity, a déclaré que la combinaison du bore et de l'arsenic était un défi complexe.

"Le décalage entre les propriétés physiques du bore et de l'arsenic rend la synthèse de l'arséniure de bore extrêmement difficile et des monocristaux d'arséniure de bore presque impossible, " il a dit.

Les chercheurs ont créé le cristal en utilisant le transport de vapeur chimique, compliqué par le fait que le bore a un point de fusion de 2, 076 degrés centigrades, tandis que l'arsenic passe directement d'un solide à un gaz.

Co-auteur Shuo Chen, professeur assistant de physique à l'UH, a déclaré que le cristal pourrait être utile pour refroidir les appareils électroniques.

"La dissipation thermique est cruciale pour l'électronique à haute densité de puissance, " dit-elle. " Par conséquent, des matériaux à haute conductivité thermique sont nécessaires pour servir de substrats dans l'électronique à haute densité de puissance."

Le potentiel d'un semi-conducteur à haute conductivité thermique est immense, dit Chen.

"En utilisant des impulsions laser femto-secondes, nous avons pu mesurer les conductivités thermiques des cristaux de bore-arséniure, " a ajouté Bai Song, un associé postdoctoral encadré par le professeur Gang Chen du département de génie mécanique du MIT. « Une telle conductivité thermique élevée rend l'arséniure de bore attrayant pour les applications microélectroniques à la fois comme matériaux de dispositifs et comme matériaux de dissipation thermique. »

Le projet a été financé par l'Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire de la Marine américaine, dirigé par Li Shi, professeur de génie mécanique à l'Université du Texas à Austin.

Shi a noté que les membres de l'équipe de l'UT-Austin et du MIT ont conçu quatre méthodes différentes pour valider l'arséniure de bore en tant que premier semi-conducteur connu avec une conductivité thermique aussi élevée que 1000 Wm-1 K-1 à température ambiante.

L'étape suivante, il a dit, sera "d'explorer les technologies des dispositifs avec les cristaux en vrac d'arséniure de bore".