北大&麻省理工&波士頓大學最新 Science：硼同位素富集的立方氮化硼實現超高的導熱率

【背景介紹】

? ? ? ? 眾所周知，熱管理指在不影響性能的情況下，采用先進材料、最新工具以及頂尖技術來控制系統溫度的能力。其中，具有超高的導熱率（k）的材料正是熱管理所需要的，并且長期以來一直被廣泛的研究。雖然對其進行了數十年的研究，但是仍然只有極少數的材料具有超高的熱導率。而超高導熱率即在室溫（RT）下的導熱率超過1000 Wm^-1K^-1。在半導體和絕緣體中，聲子攜帶熱量。晶格動力學、非諧性和缺陷之間的相互作用決定了熱傳遞。自1953年以來，金剛石被公認為是RT中最導熱的塊狀材料。

? ? ? ? ?在1973年，Slack團隊系統地制定出了一組具有高k的非金屬晶體，這些元素以簡單的低非諧性排列在一個簡單的晶格中。自從Slack工作報道以來，在散裝材料中就沒有超過鉆石的k（在RT下約為2000 Wm^-1K^-1，帶有天然碳同位素）。據報道，磷化硼（BP）和立方氮化硼（cBN）的導熱系數分別高達490 Wm^-1K^-1和768 Wm^-1K^-1。由于砷化硼（BAs）具有更重的砷元素，最初估計其k_RT為200 Wm^-1K^-1，這是因為最低階過程的強度顯著降低，從而賦予了固有的熱阻、三聲子散射。在2018年證明了Bas的k_RT約為1200 Wm^-1K^-1，使其成為最導熱的材料之一。然而，除了BAs以外，據推測在硼原子同位素富集后，cBN的k_RT會超過2000 Wm^-1K^-1。但是仍然沒有實驗結果給出明確的結論。

【成果簡介】

? ? ? ?今日，美國麻省理工學院的陳剛教授、波士頓大學的David Broido教授和北京大學的宋柏（共同通訊作者）聯合報道了他們通過實驗表征與從頭計算模擬相結合，其中包括使用具有自然（^natB）和受控豐度的硼同位素的合成晶體，通過四聲子散射重新研究cBN中的熱傳輸。通過實驗證明了c^natBN晶體的k_RT可以超過850 Wm^-1K^-1，富集的c¹⁰B（或¹¹B）N可以達到1600 Wm^-1K^-1。我們測量的超高k與第一性原理計算結果相一致，但后者顯示了高階非諧聲子-聲子-聲子相互作用對cBN中k的影響相對較弱。此外，硼同位素富集后k_RT被提高了約90％，支持了先前的計算，并代表了非常大的RT同位素效應。相比之下，同位素控制的BP和BAs計算出k_RT僅分別增加了31％和12％，與測量到的小同位素效應相符。利用模擬方法發現了這些硼素之間的差異，只有通過考慮這些差異才能理解相互之間的微妙作用。超高k和寬帶隙使cBN成為微電子熱管理、高功率電子和光電應用的有前景的材料。研究成果以題目為“Ultrahigh thermal conductivity in isotope-enriched cubic boron nitride”發表在國際頂級期刊Science上。

【圖文速遞】

圖一、自制立方氮化硼晶體的結構與組成表征

圖二、利用時域-和頻域-熱反射測量熱傳輸

圖三、立方硼鎳酸鹽的同位素效應和熱傳輸的溫度依賴性

文獻鏈接：Ultrahigh thermal conductivity in isotope-enriched cubic boron nitride (Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aaz6149)

本文由CQR編譯。

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