Il s'agit d'un schéma de gestion thermique dans l'électronique :des augmentations de température locales se produisent en raison du flux de courant dans les régions actives des appareils et peuvent entraîner une dégradation des performances de l'appareil. Des matériaux à haute conductivité thermique sont utilisés dans la diffusion et la descente de la chaleur pour conduire la chaleur des régions chaudes. Crédit :US Naval Research Laboratory
Une équipe de physiciens théoriciens du U.S. Naval Research Laboratory (NRL) et du Boston College a identifié l'arséniure de bore cubique comme un matériau avec une conductivité thermique extraordinairement élevée et le potentiel de transférer la chaleur des appareils électroniques plus efficacement que le diamant, le conducteur thermique le plus connu à ce jour.
À mesure que les dispositifs microélectroniques deviennent plus petits, plus rapide et plus puissant, la gestion thermique devient un enjeu critique. Ce travail apporte un nouvel éclairage sur la nature du transport thermique à un niveau quantitatif et prédit un nouveau matériau, à ultra-haute conductivité thermique, d'intérêt potentiel pour les applications de refroidissement passif.
Calcul de la conductivité thermique de composés de bore III-V cubiques en utilisant une approche prédictive des premiers principes, l'équipe a découvert que l'arséniure de bore (BAs) avait une conductivité thermique remarquable à température ambiante, supérieur à 2, 000 Watts par mètre par degré Kelvin (> 2000 WM -1 K -1 ). Ceci est comparable à ceux du diamant et du graphite, qui sont les valeurs en vrac les plus élevées connues.
Contrairement aux métaux, où les électrons transportent la chaleur, le diamant et l'arséniure de bore sont des isolants électriques. Pour ce dernier type de matériaux, la chaleur est transportée par des ondes vibratoires (phonons) des atomes constitutifs, et la résistance intrinsèque au flux de chaleur résulte de la diffusion de ces ondes les unes par rapport aux autres. Le diamant est intéressant pour les applications de refroidissement mais il est rare et sa fabrication synthétique souffre de taux de croissance lents, coûts élevés et qualité médiocre. Cependant, peu de progrès ont été réalisés à ce jour dans l'identification de nouveaux matériaux à haute conductivité thermique.
Historiquement, entièrement microscopique, les techniques de calcul des matériaux sans paramètres ont été plus avancées pour les propriétés électroniques que pour le transport thermique.
"Au cours des dernières années, grâce aux contributions de l'équipe de la LNR, des techniques quantitatives "ab initio" ont été développées pour le transport thermique, " a déclaré le Dr Thomas L. Reinecke, physicien, Division des sciences et technologies de l'électronique. "Ces techniques ouvrent la voie à une meilleure compréhension des principales caractéristiques physiques du transport thermique et à la capacité de prédire avec précision la conductivité thermique de nouveaux matériaux."
Ces découvertes surprenantes pour l'arséniure de bore résultent d'une interaction inhabituelle de certaines de ses propriétés vibrationnelles qui se situent en dehors des directives couramment utilisées pour estimer la conductivité thermique des isolants électriques. Ces caractéristiques rendent les diffusions entre les ondes vibratoires beaucoup moins probables que ce qui est typique dans une certaine gamme de fréquences, ce qui permet à son tour de conduire de grandes quantités de chaleur dans cette gamme de fréquences. "Si ces résultats passionnants sont vérifiés par l'expérience, il ouvrira de nouvelles opportunités pour les applications de refroidissement passif avec l'arséniure de bore, et cela démontrerait le rôle important que de tels travaux théoriques peuvent jouer en fournissant des orientations pour identifier de nouveaux matériaux à haute conductivité thermique, " dit Reinecke.
Les calculs de conductivité thermique de ce groupe sont en bon accord avec les résultats expérimentaux disponibles pour une large gamme de matériaux. L'équipe était composée des Drs. Lucas Lindsay et Tom Reinecke au NRL et le Dr David Broido au Boston College.
Cette recherche, soutenu en partie par l'Office of Naval Research (ONR) et la Defense Advanced Research Projects Agency (DAPRA), donne de nouvelles perspectives importantes sur la physique du transport thermique dans les matériaux, et il illustre la puissance des techniques informatiques modernes pour faire des prédictions quantitatives pour les matériaux dont les propriétés n'ont pas encore été mesurées.
