ก้าวข้ามขีดจำกัดของเพชร: โบรอนอาร์เซไนด์ผงาดขึ้นเป็นดาวรุ่งพุ่งแรงในกลุ่มสารกึ่งตัวนำเชิงประกอบที่มีค่าการนำความร้อนสูงรุ่นใหม่

เป็นเวลานานแล้วที่เพชรถูกพิจารณาว่าเป็นตัวนำความร้อนที่ดีที่สุดในธรรมชาติ ด้วยค่าการนำความร้อนสูงถึง 2,000 วัตต์/เมตร-เคลวิน ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงและชิ้นส่วนระบายความร้อน อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยฮูสตันได้ตีพิมพ์ผลการค้นพบของพวกเขาในวารสาร *Materials Today* เมื่อเร็วๆ นี้ โดยแสดงให้เห็นอย่างประสบความสำเร็จว่าสารกึ่งตัวนำเชิงซ้อนที่เรียกว่า โบรอนอาร์เซไนด์ (BAs) มีค่าการนำความร้อนสูงถึง 2,100 วัตต์/เมตร-เคลวิน ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งแซงหน้าเพชรอย่างเป็นทางการและกลายเป็นหนึ่งในวัสดุที่มีการนำความร้อนที่ดีที่สุดในโลก การค้นพบนี้ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านการนำความร้อนในรอบทศวรรษที่ผ่านมา และได้กำหนดนิยามใหม่ของคำว่า “ตัวนำความร้อนที่สมบูรณ์แบบ”

โบรอนอาร์เซไนด์คืออะไร? จากการคาดการณ์ทางทฤษฎีสู่การยืนยันเชิงทดลอง

โบรอนอาร์เซไนด์เป็นสารกึ่งตัวนำประเภทสารประกอบกลุ่ม III–V ที่ประกอบด้วยโบรอน (B) และอาร์เซนิก (As) มีข้อดีหลายประการ เช่น ช่องว่างพลังงานกว้าง การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและโฮลสูง และความต้านทานความร้อนต่ำมาก ย้อนกลับไปในปี 2013 เดวิด บรอยโด นักฟิสิกส์จากวิทยาลัยบอสตัน ได้ทำนายว่าภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ผลึกโบรอนอาร์เซไนด์อาจมีค่าการนำความร้อนเทียบเท่ากับเพชรได้

อย่างไรก็ตาม แบบจำลองทางทฤษฎีในภายหลัง ซึ่งคำนึงถึงผลกระทบของ “การกระเจิงของโฟตอนสี่ตัว” ได้รับการแก้ไขให้มีค่าการนำความร้อนเพียงประมาณ 1,360 วัตต์/เมตร-เคลวิน ทำให้ชุมชนวิทยาศาสตร์โดยทั่วไปเชื่อว่ามันไม่สามารถเหนือกว่าเพชรได้ จนกระทั่งทีมงานจากมหาวิทยาลัยฮูสตัน ด้วยเทคนิคการสังเคราะห์ที่ได้รับการปรับปรุงและวัตถุดิบที่มีความบริสุทธิ์สูง ได้ล้มล้างข้อสันนิษฐานนี้อีกครั้ง โดยประสบความสำเร็จในการเพิ่มค่าการนำความร้อนให้สูงถึง 2,100 วัตต์/เมตร-เคลวิน ซึ่งเป็นค่าที่ไม่เคยมีมาก่อน

หัวใจสำคัญของความก้าวหน้า: การนำไฟฟ้าของโฟนอนและการทำให้วัสดุบริสุทธิ์

ในวัสดุที่เป็นของแข็ง การถ่ายโอนพลังงานความร้อนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของโฟนอน

ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่ามีความแตกต่างของความถี่สูงระหว่างโฟนอนอะคูสติกและโฟนอนออปติคอลของโบรอนอาร์เซไนด์ ซึ่งสามารถยับยั้งการกระเจิงของพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยให้การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นได้เกือบโดยไม่สูญเสียพลังงาน

ทีมวิจัยชี้ให้เห็นเพิ่มเติมว่า การทำให้วัตถุดิบอาร์เซนิกบริสุทธิ์และลดความหนาแน่นของข้อบกพร่องในผลึก จะช่วยปรับปรุงคุณภาพของผลึกได้อย่างมาก สุดท้าย พวกเขาใช้ “วิธีการสะท้อนความร้อนในโดเมนเวลา (TDTR)” ในการทดสอบตัวอย่างหลายชุด และยืนยันว่าค่าการนำความร้อนสูงถึง 2,100 วัตต์/เมตร-เคลวิน อย่างสม่ำเสมอ ซึ่งเป็นสถิติใหม่ในประวัติศาสตร์

ข้อดีของกระบวนการ: ต้นทุนต่ำและเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

เมื่อเปรียบเทียบกับเพชรซึ่งต้องใช้ความร้อนและความดันสูงในการสังเคราะห์ โบรอนอาร์เซไนด์สามารถสังเคราะห์ได้ภายใต้ความดันปกติ การผลิตโดยใช้กระบวนการขนส่งไอสารเคมี (CVT) หรือการสะสมไอสารเคมี (CVD) มีกระบวนการที่ง่ายกว่า ต้นทุนต่ำกว่า และสามารถบูรณาการเข้ากับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่ได้โดยตรง

นอกจากนี้ โบรอนอาร์เซไนด์ยังเป็นวัสดุไอโซโทรปิกที่สามารถนำความร้อนได้อย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทาง คุณลักษณะนี้ทำให้มีข้อได้เปรียบอย่างมากในการบรรจุชิปและโมดูลระบายความร้อน และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับระบบกำลังสูง เช่น ชิป AI อุปกรณ์ไฟฟ้า และเซิร์ฟเวอร์ศูนย์ข้อมูล

ก้าวข้ามขีดจำกัดของทฤษฎี: จากมาตรฐานเพชรสู่การปฏิวัติการจัดการความร้อน

“เราเชื่อว่าผลการวัดของเรายังหมายความว่าทฤษฎีต้องได้รับการแก้ไข” จื้อเฟิง เหริน ผู้เขียนหลักของการศึกษาและศาสตราจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยฮูสตัน กล่าว การศึกษานี้ไม่เพียงแต่ล้มล้างทฤษฎีที่มีอยู่เท่านั้น แต่ยังเผยให้เห็นศักยภาพของโบรอนอาร์เซไนด์ในการเป็นวัสดุจัดการความร้อนที่พลิกโฉมวงการอีกด้วย

เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอน (Si) โบรอนอาร์เซไนด์รวมคุณสมบัติเด่นสองประการเข้าด้วยกัน ได้แก่ การนำความร้อนสูง ช่องว่างพลังงานกว้าง และความคล่องตัวของพาหะสูง ทำให้มีคุณสมบัติทั้งเป็นสารกึ่งตัวนำที่ดีเยี่ยมและวัสดุที่มีการนำความร้อนสูง ศาสตราจารย์เหรินกล่าวว่า “วัสดุใหม่นี้สมบูรณ์แบบมาก ข้อดีทั้งหมดรวมอยู่ในวัสดุเดียว ซึ่งไม่เคยพบมาก่อนในวัสดุสารกึ่งตัวนำอื่นๆ”

โอกาสในการประยุกต์ใช้: หัวใจสำคัญของวัสดุระบายความร้อนและวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่

ด้วยขนาดของชิปที่เล็ลงและการพัฒนาโครงสร้างแบบเรียงซ้อน 3 มิติ ทำให้ความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก และเทคโนโลยีการระบายความร้อนแบบดั้งเดิม เช่น การระบายความร้อนด้วยของเหลวและการระบายความร้อนด้วยอากาศ กำลังเผชิญกับข้อจำกัดมากขึ้นเรื่อยๆ การเกิดขึ้นของโบรอนอาร์เซไนด์นำเสนอทางออกใหม่สำหรับการสร้างนวัตกรรมในระดับวัสดุ ในอนาคต คาดว่าจะนำไปประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ ดังนี้:

• ชั้นระบายความร้อนหรือวัสดุรองรับของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลัง
• วัสดุเชื่อมต่อที่มีค่าการนำความร้อนสูงสำหรับบรรจุภัณฑ์ชิป AI และ HPC
• โมดูลจัดการความร้อนสำหรับศูนย์ข้อมูลและอุปกรณ์สื่อสาร

แอปพลิเคชันเหล่านี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดการใช้พลังงานและยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนเท่านั้น แต่ยังช่วยสนับสนุนการทำงานของระบบอิเล็กทรอนิกส์ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นอีกด้วย

มองสู่อนาคต: ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องและความร่วมมือข้ามภาคส่วน

ปัจจุบัน งานวิจัยนี้ดำเนินการโดยศูนย์วิจัยตัวนำยิ่งยวดแห่งรัฐเท็กซัส มหาวิทยาลัยฮูสตัน และร่วมมือกับสถาบันต่างๆ เช่น มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา บอสตันคอลเลจ มหาวิทยาลัยนอเทรอดาม และมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เออร์ไวน์ โครงการวิจัยนี้ได้รับทุนสนับสนุน 2.8 ล้านดอลลาร์สหรัฐจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF) และได้รับการสนับสนุนด้านเทคนิคจากบริษัทพันธมิตรในภาคอุตสาหกรรมอย่าง Qorvo

ทีมวิจัยวางแผนที่จะปรับปรุงวิธีการสังเคราะห์และทำให้บริสุทธิ์ของวัสดุอย่างต่อเนื่อง เพื่อท้าทายขีดจำกัดทางทฤษฎี ศาสตราจารย์เหรินยังเรียกร้องให้นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีทบทวนแบบจำลองการนำความร้อน และเริ่มต้นการสำรวจนวัตกรรมวัสดุรอบใหม่ด้วย

เขาสรุปว่า “ทฤษฎีไม่ควรจำกัดความเป็นไปได้ของการค้นพบ ในครั้งนี้ เราได้พิสูจน์แล้วว่าความก้าวหน้าครั้งสำคัญมักซ่อนอยู่ภายนอกสมมติฐานที่ถูกมองข้ามไป”

สรุปแล้ว

การค้นพบโบรอนอาร์เซไนด์ถือเป็นก้าวสำคัญใหม่ในด้านวัสดุที่นำความร้อนได้ดีและวิทยาศาสตร์เซมิคอนดักเตอร์ มันไม่เพียงแต่มีคุณสมบัติการนำความร้อนเหนือกว่าเพชรเท่านั้น แต่ยัง ในแง่ของความสามารถในการผลิต การบูรณาการ และการประยุกต์ใช้ วัสดุใหม่นี้แสดงให้เห็นถึงข้อดีในทางปฏิบัติ และคาดว่าจะกลายเป็นหัวใจสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูงและเทคโนโลยีการระบายความร้อน เมื่อการวิจัยดำเนินต่อไป ซึ่งจะนำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในชิปและการจัดการพลังงานในอนาคต

แหล่งที่มา:

• โบรอนอาร์เซไนด์มีค่าการนำความร้อนสูงกว่าเพชร ทำให้เป็นวัสดุใหม่ที่มีศักยภาพสูงสำหรับการระบายความร้อนในแผ่นเวเฟอร์
• นักวิจัยของมหาวิทยาลัยฮาวายช่วยทลายกำแพงด้านการนำความร้อนด้วยการค้นพบโบรอนอาร์เซไนด์

(首圖來源:University of Houston)

---

สำหรับการบด เรามีการปรับแต่งตามความต้องการในการประมวลผล เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด

หากคุณยังไม่รู้ว่าจะเลือกอันที่เหมาะสมที่สุดอย่างไรหลังจากอ่านข้อความนี้แล้ว

ยินดีต้อนรับที่จะติดต่อเรา เราจะมีคนที่จะตอบคำถามของคุณ

หากคุณต้องการใบเสนอราคาแบบกำหนดเองโปรดติดต่อเรา

เวลาทำการฝ่ายบริการลูกค้า : จันทร์ – ศุกร์ 09:00~18:00 น.

โทร : 07 223 1058

หากมีข้อสงสัยหรือคำถามที่ไม่ชัดเจนทางโทรศัพท์ โปรดอย่าลังเลที่จะส่งข้อความส่วนตัวถึงฉันทาง Facebook ~~

เฟซบุ๊ก HonWay: https://www.facebook.com/honwaygroup

---

คุณอาจสนใจ…