Un matériau improbable, arséniure de bore cubique, pourrait fournir une conductivité thermique extraordinairement élevée - à égalité avec la norme de l'industrie établie par le diamant coûteux - les chercheurs rapportent dans le numéro actuel de la revue Lettres d'examen physique .

La découverte que le composé chimique du bore et de l'arsenic pourrait rivaliser avec le diamant, le conducteur thermique le plus connu, surpris l'équipe de physiciens théoriciens du Boston College et du Naval Research Laboratory. Mais une nouvelle approche théorique a permis à l'équipe de percer le secret de la capacité potentiellement extraordinaire de l'arséniure de bore à conduire la chaleur.

Plus petite, des dispositifs microélectroniques plus rapides et plus puissants posent le défi de taille d'éliminer la chaleur qu'ils génèrent. De bons conducteurs thermiques placés en contact avec de tels dispositifs évacuent rapidement la chaleur des "points chauds" indésirables qui diminuent l'efficacité de ces dispositifs et peuvent provoquer leur panne.

Le diamant est la pierre précieuse la plus prisée. Mais, au-delà de son éclat et de sa beauté en joaillerie, il a bien d'autres propriétés remarquables. Avec ses cousins ​​carbone graphite et graphène, le diamant est le meilleur conducteur thermique autour de la température ambiante, ayant une conductivité thermique supérieure à 2, 000 watts par mètre par Kelvin, ce qui est cinq fois plus élevé que les meilleurs métaux comme le cuivre. Actuellement, Le diamant est largement utilisé pour aider à éliminer la chaleur des puces informatiques et autres appareils électroniques. Malheureusement, le diamant est rare et cher, et le diamant synthétique de haute qualité est difficile et coûteux à produire. Cela a stimulé la recherche de nouveaux matériaux avec des conductivités thermiques ultra-élevées, mais peu de progrès ont été accomplis ces dernières années.

La conductivité thermique élevée du diamant est bien comprise, résultant de la légèreté des atomes de carbone constitutifs et des liaisons chimiques rigides entre eux, selon le co-auteur David Broido, professeur de physique au Boston College. D'autre part, l'arséniure de bore n'était pas censé être un conducteur thermique particulièrement bon et avait en fait été estimé - en utilisant des critères d'évaluation conventionnels - avoir une conductivité thermique 10 fois plus petite que le diamant.

L'équipe a découvert que la conductivité thermique calculée de l'arséniure de bore cubique est remarquablement élevée, plus de 2000 Watts par mètre par Kelvin à température ambiante et dépassant celui du diamant à des températures plus élevées, selon Broido et ses co-auteurs Tom Reinecke, scientifique senior au Naval Research Laboratory, et Lucas Lindsay, un chercheur postdoctoral au LNR qui a obtenu son doctorat en Colombie-Britannique.

Broido a déclaré que l'équipe a utilisé une approche théorique récemment développée pour calculer les conductivités thermiques, qu'ils avaient déjà testés avec de nombreux autres matériaux bien étudiés. Confiants dans leur approche théorique, l'équipe a examiné de plus près l'arséniure de bore, dont la conductivité thermique n'a jamais été mesurée.

Contrairement aux métaux, où les électrons transportent la chaleur, le diamant et l'arséniure de bore sont des isolants électriques. Pour eux, la chaleur est transportée par les ondes vibratoires des atomes constitutifs, et la collision de ces ondes entre elles crée une résistance intrinsèque au flux de chaleur. L'équipe a été surprise de trouver une interaction inhabituelle de certaines propriétés vibrationnelles dans l'arséniure de bore qui se situe en dehors des lignes directrices couramment utilisées pour estimer la conductivité thermique des isolants électriques. Il s'avère que les collisions attendues entre les ondes vibratoires sont beaucoup moins susceptibles de se produire dans une certaine gamme de fréquences. Ainsi, à ces fréquences, de grandes quantités de chaleur peuvent être conduites dans l'arséniure de bore.

"Ce travail donne un nouvel éclairage important sur la physique du transport de chaleur dans les matériaux, et il illustre la puissance des techniques de calcul modernes pour faire des prédictions quantitatives pour les matériaux dont la conductivité thermique n'a pas encore été mesurée, " a déclaré Broido. "Nous sommes ravis de voir si notre découverte inattendue pour l'arséniure de bore peut être vérifiée par mesure. Si c'est le cas, cela peut ouvrir de nouvelles opportunités pour les applications de refroidissement passif utilisant l'arséniure de bore, et cela démontrerait en outre le rôle important que de tels travaux théoriques peuvent jouer en fournissant des conseils utiles pour identifier de nouveaux matériaux à haute conductivité thermique. »