其中一個(gè)原因是，盡管硅允許電子輕易地在其結(jié)構(gòu)中流動(dòng)，但它對(duì)"空穴"--電子帶正電的對(duì)應(yīng)物的適應(yīng)性要差得多，而利用這兩者對(duì)特定類(lèi)型的設(shè)備至關(guān)重要。此外，硅在傳輸熱量方面做得很差，這導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)中頻繁的過(guò)熱問(wèn)題和昂貴的冷卻系統(tǒng)。
現(xiàn)在，來(lái)自麻省理工學(xué)院、休斯頓大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，顯示一種名為立方砷化硼的材料克服了這兩個(gè)限制。除了為電子和空穴提供高遷移率外，它還具有出色的導(dǎo)熱性。據(jù)研究人員說(shuō)，它是迄今發(fā)現(xiàn)的最好的半導(dǎo)體材料，也許是可能的最好的材料。
迄今為止，立方砷化硼只在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小批次中被制造和測(cè)試，而這些批次并不均勻。事實(shí)上，為了測(cè)試材料中的小區(qū)域，科學(xué)家們不得不使用最初由麻省理工學(xué)院前博士后白松開(kāi)發(fā)的特殊方法。要確定立方砷化硼是否能以實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的形式制成，更不用說(shuō)取代無(wú)處不在的硅還需要更多的工作。但研究人員說(shuō)，即使在不久的將來(lái)，這種材料也能找到一些用途，其獨(dú)特的性能將產(chǎn)生重大的影響。
2022年7月21日，麻省理工學(xué)院博士后Jungwoo Shin和麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授Gang Chen；休斯頓大學(xué)的Zhifeng Ren；以及麻省理工學(xué)院、休斯頓大學(xué)、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和波士頓學(xué)院的其他14人在《科學(xué)》雜志上報(bào)告了這些發(fā)現(xiàn)。
早期的研究包括David Broido的工作，他是新論文的共同作者，從理論上預(yù)測(cè)該材料將具有高導(dǎo)熱性。隨后的工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這一預(yù)測(cè)。這項(xiàng)最新工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Chen小組在2018年做出的預(yù)測(cè)，從而完成了分析：立方砷化硼也將具有非常高的電子和空穴遷移率，"這使得這種材料真的很獨(dú)特，"Chen說(shuō)。
早期的實(shí)驗(yàn)表明，立方砷化硼的熱導(dǎo)率幾乎是硅的10倍。"因此，僅就散熱而言，這非常有吸引力，"Chen說(shuō)。他們還表明，這種材料有一個(gè)非常好的帶隙，這一特性使它作為一種半導(dǎo)體材料具有巨大的潛力。
現(xiàn)在，新的工作填補(bǔ)了這一空白，表明憑借其電子和空穴的高遷移率，砷化硼具有理想半導(dǎo)體所需的所有主要品質(zhì)。"這很重要，因?yàn)樵诎雽?dǎo)體中，我們的正電和負(fù)電都是等價(jià)的。因此，如果你建立一個(gè)設(shè)備，你希望有一種材料，讓電子和空穴都以較小的阻力移動(dòng)，"Chen說(shuō)。
硅具有良好的電子遷移率，但空穴遷移率較差，而其他材料，如廣泛用于激光器的砷化鎵，同樣具有良好的電子遷移率，但空穴遷移率不高。
論文的主要作者Shin說(shuō)："熱量現(xiàn)在是許多電子產(chǎn)品的一個(gè)主要瓶頸。"碳化硅正在取代硅，用于包括特斯拉在內(nèi)的主要電動(dòng)車(chē)行業(yè)的電力電子，因?yàn)樗膶?dǎo)熱性比硅高三倍，盡管它的電子遷移率較低。想象一下，砷化硼可以實(shí)現(xiàn)什么，它的導(dǎo)熱性比硅高10倍，移動(dòng)性比硅高很多。它可以改變游戲規(guī)則"。
Shin補(bǔ)充說(shuō)："使這一發(fā)現(xiàn)成為可能的關(guān)鍵里程碑是麻省理工學(xué)院的超快激光光柵系統(tǒng)的進(jìn)展，"這種技術(shù)最初是由Song開(kāi)發(fā)。他說(shuō)，如果沒(méi)有這種技術(shù)，就不可能證明這種材料的電子和空穴的高流動(dòng)性。
他說(shuō)，立方砷化硼的電子特性最初是根據(jù)Chen的小組所做的量子力學(xué)密度函數(shù)計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)的，而這些預(yù)測(cè)現(xiàn)在已經(jīng)通過(guò)在麻省理工學(xué)院進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)使用光學(xué)檢測(cè)方法對(duì)Ren和休斯頓大學(xué)的團(tuán)隊(duì)成員制作的樣品進(jìn)行檢測(cè)。
該材料的導(dǎo)熱性不僅是所有半導(dǎo)體中最好的，而且科學(xué)家們還說(shuō)它的導(dǎo)熱性在所有材料中排名第三--僅次于鉆石和富含同位素的立方氮化硼。"而現(xiàn)在，我們預(yù)測(cè)了電子和空穴的量子力學(xué)行為，也是從第一原理出發(fā)，這也被證明是真實(shí)的，"Chen說(shuō)。"這令人印象深刻，因?yàn)槌耸┲?，我?shí)際上不知道有任何其他材料具有所有這些特性。而這是一種具有這些特性的散裝材料。"
他說(shuō)，現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是找出實(shí)用的方法，以可用的數(shù)量制造這種材料。目前制造它的方法產(chǎn)生了非常不均勻的材料，因此該團(tuán)隊(duì)必須找到方法來(lái)測(cè)試只是小塊的局部材料，這些材料足夠均勻以提供可靠的數(shù)據(jù)。雖然他們已經(jīng)證明了這種材料的巨大潛力，但"它是否或在哪里會(huì)被真正使用，我們并不知道，"Chen說(shuō)。
"硅是整個(gè)行業(yè)的主力，我們已經(jīng)有了一種更好的材料，但它是否真的會(huì)威脅這個(gè)行業(yè)？我們不知道。"雖然這種材料看起來(lái)幾乎是一種理想的半導(dǎo)體，它是否真的能進(jìn)入設(shè)備并取代目前的一些市場(chǎng)，我認(rèn)為這仍有待證明。"
而且，雖然熱和電性能已被證明是優(yōu)秀的，但一種材料的許多其他性能還有待測(cè)試，例如它的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，Chen說(shuō)。"為了制造設(shè)備，還有許多其他因素我們還不知道。"這有可能真的很重要，而人們甚至還沒(méi)有真正注意到這種材料?，F(xiàn)在，砷化硼的理想特性已經(jīng)變得更加明確，表明這種材料"在許多方面是最好的半導(dǎo)體，也許人們會(huì)更加關(guān)注這種材料。"
展望商業(yè)用途，Ren說(shuō)，"一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)將是如何像硅一樣有效地生產(chǎn)和凈化立方砷化硼。......硅花了幾十年的時(shí)間贏得了桂冠，其純度超過(guò)99.99999999%，即今天大規(guī)模生產(chǎn)的'10個(gè)9'。"
為了使它在市場(chǎng)上變得實(shí)用，"它確實(shí)需要更多的人開(kāi)發(fā)不同的方法來(lái)制造更好的材料并對(duì)其進(jìn)行表征"。Chen說(shuō)，這種開(kāi)發(fā)的必要資金是否能得到，還有待觀察。
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