美国海军,优化热电性能

作者:葡京pj67777    发布时间:2020-04-23 13:46    浏览:51 次

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原标题:新型合成晶体有望解决电路散热难题新华社华盛顿7月5日电(记者周舟)发表在最新一期美国《科学》杂志上的研究显示,一种相对廉价的合成晶体有望用于电路冷却,突破电子设备小型化面临的散热难题。论文通讯作者之一、美国得克萨斯大学达拉斯校区物理学副教授吕兵说,散热对使用计算机芯片和晶体管的电子产业非常重要,而小型、高性能的电子产品不能采用导电金属进行散热,风扇又占据太大空间,因此需要一种廉价、可散热的半导体材料。在天然物质中,金刚石的热导率最高,但天然金刚石成本过高,人造金刚石存在结构缺陷,都难以大规模应用。研究人员发现,人造半导体材料砷化硼具有很高的导热率,散热能力比铜等常用散热材料高2到3倍,仅次于金刚石。吕兵团队与美国休斯敦大学研究人员采用一种“化学气相输运”的晶体生长方法,将硼和砷放在一端热、一端冷的晶体生长炉中,两种材料从热的一端移动到冷的一端时会形成热导率高的砷化硼晶体。导热是依靠材料中的电子、原子、分子或晶格热运动来传递热量。在金属中,导热主要依靠电子的运动。但在晶体中,热传导是靠组成晶体晶格的原子的振动来完成,这种振动在物理学上被称为声子。研究人员说,砷化硼晶体散热的原因就是晶体振动会产生一份一份的声子,声子带走了热,而硼原子和砷原子差别巨大,这让声子更易于脱离晶体。吕兵说,砷本身有毒,但化合物砷化硼稳定、无毒,且其半导体性质与硅相容,有望广泛应用于微电子领域。

[据extremetech.com网站2013年7月30日报道]半导体设计中最大的挑战之一就是寻求如何将余热从结构上散发到设计的散热区域。这个问题似乎并不值得多说,在讨论CPU和系统冷却时,一般就是指寻求更有效的方法将热量从散热器盖和模具顶部散发出去。但是,如何将热量高效传导到散热器盖等散热部位也是一个十分关键的问题。美国海军研究实验室与波士顿大学的研究者们合作发现了一种新的十分高效的导热方法,其秘密就是——立方砷化硼材料。

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“声子液体”优化热电性能 中科院上海硅酸盐所研究员史迅、陈立东、张文清、许钫钫与美国加州理工大学等机构的学者合作,提出在固态材料中引入具有局域液态特征的离子来降低热导率和优化热电性能,突破晶格热导率在固态玻璃或晶态材料上的限制。相关成果日前发表于《自然材料学》杂志,并申请中国发明专利。审稿人对该文给予高度评价,认为其拓展了已有的声子玻璃电子晶体概念至声子液体电子晶体,为热电材料的研究方向提供了新的可能性。史迅介绍说,热电转换技术利用半导体材料的塞贝克效应和帕尔贴效应实现热能与电能直接相互转化,在工业余热和汽车尾气废热发电等领域具有重要而广泛的应用。热电技术的能量转换效率主要取决于材料的本征物理特性,通常可由热电优值来衡量,而热电优值取决于材料的Seebeck系数、电导率、热导率和绝对温度。传统的高性能热电能量转换材料为固体晶态化合物。近年来,以方钴矿和笼合物材料为典型代表的笼状化合物热电性能的优化,以及通过纳米结构降低晶格热导率提升热电性能的研究均取得了显著进展,其热电优值超过1.5。然而,晶态化合物中晶格热导率的降低受制于结构的长程有序性,其最低极限与完全无序的玻璃态相当,限制了热电性能继续优化的空间。史迅等人发现了一类具有声子液体电子晶体特征、完全不同于传统晶态热电化合物的新型热电材料体系,拓展了热电材料的设计理念。研究表明,在具有高温反萤石结构的半导体硒化二铜化合物中,硒原子可形成相对稳定的面心立方亚晶格网络结构,而铜离子则无序分布在硒亚晶格网络的间隙位置进行自由迁移。硒亚晶格提供了良好的电输运通道,具有液态特征的可自由迁移铜离子不但可强烈散射晶格声子来降低声子平均自由程,而且由于消减了部分剪切方向晶格振动横波模式而降低了材料的晶格热容,突破了晶态和玻璃态材料的晶格声子热振动与输运限制。初步结果表明,硒化二铜显示了优良的热电性能,其热电优值可超过1.5,与目前发现的高性能晶态热电材料相当,并有望通过优化掺杂等手段进一步提升。同时,该研究工作提出的声子液体概念可以很好地解释许多含铜和银离子的半导体材料中发现的电热输运行为及其规律,为新热电化合物的探索以及传统热电材料性能的进一步优化提供了新的方向和途径。更多阅读《自然材料学》发表论文摘要

根据该课题组的研究,在常温下砷化硼材料的热导率达2000 Wm-1K-1以上,这一导热率基本与目前已知导热性最好材料金刚石或者石墨相当,但金刚石或石墨均难以加工或集成到产品中,大规模合成、应用金刚石及石墨都是十分困难的,这一先天不足限制了它们实际应用的能力,而砷化硼则容易处理得多。

葡京pj67777,在半导体设计中,最大的挑战之一是找到将废热从结构中转移到设计的任何散热区域的方法。CPU和系统冷却这个问题并没有得到太多的解决,我们往往集中在寻找更有效的方法,以消除散热器盖或模具顶部的热量。

砷化硼等热的传导是靠组成晶体晶格的原子的振动来完成的,物理学家把这种振动称为热能量子。常规的金属导热的原因在于电子的振动,由于电子是带有电荷的,因此在常温下金属的导热率和导电率相关。金属铜和铝的导热性能良好,因此其导电性能也相当不错,相比而言,铁和铅的导电导热性就差得多了。

热量如何有效地传递到那个点的问题和之后发生的事情一样重要。美国海军研究实验室的研究人员与波士顿学院合作,发现了一种新的高效传输方法。立方硼化镓。

这项研究目前还是理论上的,是基于已知的砷化硼结构建模计算的结果。砷化硼晶格结构特点、该材料所属的III-V族半导体材料的特性,预示着可能将其用于太阳能电池单元以及辐射硬化电路板。与金刚石等材料相比,砷化硼还有一个优势是,有关III-V族半导体制造技术的研究已经在进行了。砷化硼材料还能够扩展到砷化硼镓(BGaAs),不过这种材料的导热率要略低一些。

67777葡京网址,研究小组认为,砷化硼ba)的室温导热系数大于2000 Wm-1K-1。这与钻石或石墨的体积值相当,它们的体积值是已知的最高的,但两者都非常难以使用或集成到产品中。金刚石和石墨的大规模合成和精确应用都很困难,这限制了它们的实际应用能力。

如果研究者们的预测被证实有效的话,那么这种材料无疑将会有广泛的应用。砷化镓材料在处理基底问题时比较棘手,这也是为什么硅材料仍然是工业标准的原因之一,但多家制造商预计在未来数年,III-V族半导体材料可能成为重要的材料,因为目前的互补金属氧化物半导体材料的大规模升级变得十分困难。如果能将余热有效散发出去、降低对散热的要求,对于提高芯片的性能是十分有利的,硼化物材料如能在实际应用中解决散热问题,那很可能会带来相关产业的革命。

砷化硼更容易处理。

硼化物与石墨烯材料相结合的研究近年来也逐渐受到重视。如图1所示,石墨烯和氮化硼组织可以并排“生长”,石墨烯形成纳米级的电路,电路间通过氮化硼隔开。如果能够达到工业化应用的程度,这类材料将使人们更加重视硼化物材料。

砷化物之所以能如此有效地传导热量,是因为晶格结构中的振动波。在传统金属中,热量是由电子传递的。由于电子也带有电荷,所以金属在室温下的导热性和导电性是相关的。像铜和铝这样的能很好地传热的金属,往往也能很好地导电,特别是与铁相比,铁是一种很差的载体。

图1 砷化硼与石墨烯形成的纳米电路板模型示意图

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这里所做的工作是理论性的,是基于对已知硼晶格结构的建模,但数学证明是正确的。晶格结构和半导体的已知特性,包括硼在III-V组中所做的半导体工作,指出了在太阳能电池和辐射硬化电路中的潜在应用。硼与金刚石不同的另一个优点是,III-V半导体制造已经是一个正在进行的研究领域。硼可以与砷化镓成键,尽管关于其在这种结构中的有效性的数据有些有限。

如果研究人员的预测被证明是正确的,那么这种能力无疑是有用途的。砷化镓是一种难以处理的衬底,这也是硅仍然是行业标准的原因之一,但随着CMOS的规模化变得越来越困难,预计未来几年将有多家制造商部署III-V材料。将热量从晶体管中移走可以实现更高的性能,并在任何蓄热不利于产品功能(也就是说,大部分产品功能)的应用程序中减少冷却的需要。

由于硼与石墨烯的合作方式,近年来硼也受到了广泛的关注。如图所示,氮化硼和石墨烯可以并排生长,从而形成石墨烯的纳米线,并被硼隔离。这些类型的应用表明,硼在未来可能会受到更多的关注,特别是如果产量能够提高到工业水平。

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