長期以來，鑽石被視為自然界中最優異的導熱體，其熱導率高達 2,000 W/mK，使其成為高功率電子與散熱元件的理想材料。然而，美國休士頓大學領導的研究團隊近日於《Materials Today》期刊發表的成果，成功證實一種名為砷化硼（Boron Arsenide, BAs）的化合物半導體，在室溫下的熱導率竟高達 2,100 W/mK，正式超越鑽石，成為全球導熱性能最優異的材料之一。這項發現被視為近十年熱傳導領域的重大突破，也重新定義了我們對「完美導熱體」的想像。
目錄
什麼是砷化硼？從理論預測到實驗證實
砷化硼是一種由硼（B）與砷（As）組成的 III–V 族化合物半導體。它同時擁有寬能隙（Wide Bandgap）、高電子與電洞載子遷移率，以及極低的熱阻抗等優點。早在 2013 年，波士頓學院物理學家 David Broido 便曾預測，理想條件下的砷化硼晶體能達到與鑽石相當的導熱性能。
然而，後續理論模型因考慮「四聲子散射」效應而修正為僅約 1,360 W/mK，導致科研界普遍認為其無法超越鑽石。直到休士頓大學團隊透過改良合成技術與高純度原料，再度推翻了這項假設，成功將熱導率提升至前所未見的 2,100 W/mK。
突破的關鍵：聲子傳導與材料純化
在固體材料中，熱能的傳遞主要依賴「聲子（phonon）」運動。
研究顯示，砷化硼的聲學聲子與光學聲子之間存在極大的頻率差，能有效抑制能量散射，使熱流幾乎無損傳遞。
研究團隊進一步指出，透過提純砷原料與降低晶體缺陷密度，能顯著提升晶體品質。最終，他們利用「時間域熱反射法（TDTR）」進行多批樣品測試，證實導熱係數穩定達到 2,100 W/mK，創下歷史紀錄。
製程優勢：低成本且相容於半導體工藝
相較於需在高溫高壓下合成的鑽石，砷化硼可在常壓環境下以化學氣相傳輸（CVT）或化學氣相沉積（CVD）方式製備，製程更簡單、成本更低，且能直接整合於現有半導體製程中。
此外，砷化硼屬於等向性材料（Isotropic），可在各方向均勻導熱，這一特性讓它在晶片封裝與散熱模組中具備明顯優勢，尤其適用於 AI 晶片、功率元件、資料中心伺服器 等高耗能系統。
挑戰理論極限：從鑽石標準到熱管理革命
「我們相信我們的測量結果，也意味著理論必須被修正。」研究通訊作者、休士頓大學物理系教授任志峰表示。這項研究不僅推翻了既有理論，也揭示了砷化硼可能成為顛覆性熱管理材料的潛力。
與矽（Si）相比，砷化硼兼具高導熱性、寬能隙與高載子遷移率，使其同時具備優秀半導體與高導熱體的雙重特質。任教授形容：「這種新材料太完美了，所有優點都集中在一起，這在其他半導體材料中前所未見。」
應用前景：下一代散熱與電子材料核心
隨著晶片尺寸縮小、3D 堆疊結構興起，功耗密度大幅上升，傳統散熱技術如液冷與氣冷逐漸面臨瓶頸。砷化硼的問世，為材料層面的創新提供新解。未來它有望被應用於：
- 功率半導體元件的散熱層或基板
- AI 與 HPC 晶片封裝的高導熱介面材料
- 資料中心與通訊設備的熱管理模組
這些應用不僅能降低能耗、延長元件壽命，也能支撐更高效能的電子系統運作。
展望未來：持續突破與跨界合作
目前，該研究由休士頓大學德州超導中心領導，並與加州大學聖塔芭芭拉分校、波士頓學院、聖母大學及加州大學爾灣分校等機構合作進行。研究計畫獲美國國家科學基金會（NSF）資助 280 萬美元，並由工業界夥伴 Qorvo 提供技術支持。
團隊計畫持續優化材料合成與純化方法，以挑戰理論極限。任教授也呼籲理論物理學家重新檢視熱導模型，開啟新一輪材料創新探索。
他總結道：「理論不應該限制發現的可能。這次，我們證明了，真正的突破往往就藏在被忽略的假設之外。」
結論
砷化硼的誕生，代表著導熱材料與半導體科學的新里程碑。它不僅在數值上超越鑽石，更在可製造性、整合性與應用性上展現現實可行的優勢。隨著科研持續深入，這種新興材料有望成為高效能電子與散熱技術的核心，為未來的晶片與能源管理帶來革命性的改變。
資料來源:
- 砷化硼導熱性能超越鑽石，有望成晶片散熱新材料
- UH Researchers Help Break Thermal Conductivity Barrier with Boron Arsenide Discovery
(首圖來源:University of Houston)
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