Addio diamante: ora è l’arsenuro di boro il Re della conduttività termica

Per decenni, il diamante è stato il campione indiscusso. Quando si parlava di conduttività termica nei materiali isotropi (quelli con proprietà uniformi in tutte le direzioni), il diamante era il benchmark, il re della collina. Bene, quel regno è finito.

Ricercatori dell’Università di Houston (UH) hanno scoperto che un cristallo sintetico, l’arsenuro di boro (BAs), non solo eguaglia, ma può addirittura superare il diamante nel trasporto di calore. La relativa pubblicazione scientifica è stata pubblicata su Materials Today. 

Questo non è solo un dettaglio per i fisici dei materiali, ma una notizia con implicazioni dirette per l’intero settore dell’elettronica. Dagli smartphone ai data center, la gestione efficiente del calore è il limite critico che frena le prestazioni e la longevità dei dispositivi. Un chip più fresco è un chip più veloce e più duraturo.

Arseniuro di boro cubico

La teoria contro la pratica

Il team di ricerca, guidato dal professor Zhifeng Ren del Dipartimento di Fisica dell’UH, ha misurato nei cristalli di arsenuro di boro una conduttività termica sbalorditiva: oltre 2.100 watt per metro per Kelvin (W/mK) a temperatura ambiente, un valore che si posiziona al di sopra di quello tipico del diamante.

Il bello della storia? La teoria recente diceva che fosse impossibile.

Sebbene i primi modelli teorici avessero ipotizzato che il BAs potesse rivaleggiare con il diamante, calcoli più recenti, che includevano un fenomeno chiamato “scattering a quattro fononi” (il modo in cui il calore “rimbalza” nel reticolo cristallino), avevano fissato un tetto massimo: 1.360 W/mK. Molti si erano arresi all’idea.

Dal paper pubblicato, il grafico mostra come l’arseniuro di boro sia un miglior distributore di energia

Il team di Ren, tuttavia, sospettava che il problema non fosse nel materiale in sé, ma nelle impurità dei campioni sperimentali. Hanno quindi raffinato il processo, purificando l’arsenico grezzo e migliorando le tecniche di sintesi. Il risultato? Cristalli ultra-puliti che hanno frantumato il soffitto teorico.

“Ci fidiamo delle nostre misurazioni; i nostri dati sono corretti e questo significa che la teoria ha bisogno di correzioni”, ha commentato Ren, sottolineando come i dati sperimentali abbiano, ancora una volta, superato i modelli matematici.

Un “game changer” per l’elettronica

Il vero potenziale dell’arsenuro di boro non è solo battere un record. Il BAs è un materiale raro perché unisce due proprietà che di solito non vanno d’accordo: è un eccellente conduttore termico (come il diamante) ed è anche un promettente semiconduttore (come il silicio).

Il silicio, la base di tutta l’elettronica moderna, è un semiconduttore mediocre e un conduttore termico ancora peggiore. Il diamante è un ottimo conduttore termico, ma un pessimo semiconduttore (è un isolante). L’arsenuro di boro ha entrambe le qualità.

I vantaggi chiave di questo nuovo materiale includono:

• Produzione: È più facile ed economico da produrre rispetto al diamante sintetico.
• Proprietà elettriche: Ha un band gap più ampio e una mobilità dei portatori più elevata (sia per gli elettroni che per le lacune) rispetto al silicio.
• Integrazione: Il suo coefficiente di espansione termica è molto simile a quello dei chip attuali, rendendolo ideale per l’integrazione nei dispositivi di prossima generazione.

“Questo nuovo materiale è meraviglioso”, ha detto Ren. “Ha le migliori proprietà di un buon semiconduttore e di un buon conduttore termico, tutto in uno. Non è mai successo prima”.

Le applicazioni sono vaste: hardware per l’intelligenza artificiale, elettronica di potenza e calcolo ad alte prestazioni, tutti settori attualmente limitati dal surriscaldamento. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Materials Today.

Domande e Risposte (FAQ)

1. Perché questa scoperta è così importante per i miei dispositivi elettronici?

Il calore è il nemico numero uno di smartphone e computer. Limita la velocità e la durata. Un materiale come l’arsenuro di boro, che dissipa il calore meglio del diamante ed è anche un semiconduttore, permette di creare chip più freschi, veloci e duraturi. Significa migliori prestazioni per l’IA, i data center e, un domani, per i nostri dispositivi personali, senza il rischio di surriscaldamento.

2. Ma la teoria non diceva che era impossibile superare il diamante in questo modo?

Esatto. I modelli teorici più recenti (che includevano lo “scattering a quattro fononi”) avevano fissato un limite massimo per l’arsenuro di boro (1360 W/mK), ben sotto il diamante. Tuttavia, il team dell’Università di Houston ha ipotizzato che il problema fossero le impurità nei campioni. Utilizzando arsenico purificato, hanno creato cristalli ultra-puliti che hanno superato i 2100 W/mK, dimostrando che i dati sperimentali (se il materiale è puro) possono superare le previsioni teoriche.

3. Il diamante non andava già bene? Che vantaggi ha questo nuovo materiale?

Il diamante è un eccellente conduttore termico, ma è un pessimo semiconduttore (è un isolante). L’arsenuro di boro (BAs) ha la rara combinazione di essere sia un ottimo conduttore di calore sia un promettente semiconduttore (come il silicio, ma potenzialmente migliore). Inoltre, è più facile ed economico da produrre e si integra meglio con i processi di fabbricazione dei chip rispetto al diamante.

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