Les scientifiques de l'UCLA, pour la première fois, réalisé expérimentalement un nouveau monocristal composé, l'arséniure de bore (BAs) et exploré sa limite de conductivité thermique lorsque les cristaux sont exempts de défauts. Ils ont observé la conductivité thermique isotrope la plus élevée, 1300 W/mK, au-delà de tous les métaux et semi-conducteurs courants. Cette étude a établi un nouveau référentiel de matériaux thermiques qui pourrait potentiellement révolutionner les technologies de gestion thermique en électronique et en photonique. Ce travail est rapporté dans l'article "Experimental Observation of High Thermal Conductivity in Boron Arsenide, " publié en ligne cette semaine dans Science .

Les chercheurs ont développé un matériau semi-conducteur thermiquement ultra-conducteur qui pourrait réduire considérablement la température de chauffage et éliminer efficacement la chaleur résiduelle générée par les ordinateurs et autres dispositifs électroniques ou photoniques. Il est plus efficace pour évacuer la chaleur des points chauds que tout autre semi-conducteur ou métal et pourrait potentiellement révolutionner les paradigmes technologiques actuels pour la gestion thermique de l'électronique. L'étude a été dirigée par le professeur Yongjie Hu d'ingénierie mécanique et aérospatiale, et tous les autres auteurs sont des étudiants diplômés de l'UCLA du groupe de recherche de Hu (H-Lab) :Joonsang Kang, Homme Li, Huan Wu, et Huuduy Nguyen.

Les ordinateurs chauffent parce que les électrons qui traversent les processeurs et les circuits génèrent de la chaleur lorsqu'ils se déplacent, par exemple, leur interaction avec les réseaux. La chaleur dégrade les performances de calcul, c'est pourquoi les smartphones ont un dissipateur de chaleur pour empêcher les processeurs d'ordinateur de devenir trop chauds, ou pourquoi les ordinateurs de bureau ont des ventilateurs pour souffler de l'air chaud. Les grands centres de données avec des milliers d'ordinateurs nécessitent beaucoup d'énergie supplémentaire pour leurs systèmes de refroidissement de haute technologie.

Alors que les processeurs informatiques ont continué à se réduire à des tailles où des milliards de transistors sont sur une seule puce, la chaleur est devenue un facteur de plus en plus important dans leurs performances. Si ces processeurs n'étaient pas aussi chauds en premier lieu, il faudrait alors beaucoup moins d'énergie pour les garder au frais. La gestion de cette chaleur est l'un des principaux obstacles pour les nouveaux appareils tels que les processeurs informatiques ou les LED.

Avec cet objectif en tête, l'équipe de l'UCLA a entrepris de développer un matériau semi-conducteur qui gère bien mieux la chaleur que les matériaux les plus performants.

Cette équipe de l'UCLA a rapporté pour la première fois, la réalisation expérimentale d'arséniure de bore exempt de défauts avec la conductivité thermique la plus élevée (1300 W/mK) parmi tous les matériaux semi-conducteurs et métaux courants. La chaleur qui se concentre dans les points chauds des puces informatiques est rapidement dissipée et évacuée en raison de ses propriétés structurelles et thermiques uniques. Le nouveau matériau est trois fois plus conducteur que le carbure de silicium et le cuivre, les meilleurs matériaux actuellement utilisés dans l'industrie de la gestion de la chaleur.

"C'est un travail très exigeant qui nécessite une expertise hautement multidisciplinaire de synthèse de matériaux précis, caractérisations structurelles complètes, à la mesure précise du transport thermique et aux calculs théoriques, " dit Yongjie Hu, professeur adjoint au Département de génie mécanique et aérospatial de l'UCLA. "Mon groupe s'est consacré à cet effort au cours des dernières années depuis que j'ai rejoint la faculté de l'UCLA et nous sommes très heureux que notre travail acharné ait porté ses fruits. Le résultat a établi une plate-forme de matériau thermique de référence pour de nombreuses opportunités à la fois dans la science fondamentale et les applications ."

Cette étude révèle également une physique importante des mécanismes de transport thermique. Les propriétés thermiques des solides peuvent être décrites par les interactions des phonons, c'est-à-dire les modes de mécanique quantique des vibrations du réseau. Pendant de nombreuses décennies, les théoriciens considèrent que le processus à trois phonons régit le transport thermique, et les effets des processus à quatre phonons et d'ordre supérieur étaient considérés comme négligeables, ce qui est en fait le cas pour la plupart des matériaux courants. Cette étude a un impact significatif sur le domaine de la théorie en montrant que l'anharmonicité d'ordre élevé via le processus à quatre phonons apporte une contribution importante aux monocristaux de BAs sans défaut. La conclusion a été étayée par leur mesure expérimentale, par rapport aux calculs ab initio de groupes de recherche indépendants et du groupe de Hu. Par ailleurs, l'étude a sondé la physique du transport thermique balistique et a expliqué l'origine de la conductivité thermique ultra-élevée des BA en raison de ses longs trajets libres moyens de phonons.

"Cette réalisation et cette célébration devraient s'étendre à tout le domaine, " Hu a dit. " Il existe de nombreux autres groupes de recherche de premier plan qui progressent vers cet objectif. En particulier, ce succès illustre le pouvoir de combiner les expériences et la théorie ab initio dans la découverte de nouveaux matériaux, et je pense que cette approche continuera à repousser les frontières scientifiques dans la découverte de nouveaux matériaux dans de nombreux domaines, notamment l'énergie, électronique, et applications photoniques."