中國(guó)粉體網(wǎng)訊 熱導(dǎo)率是衡量材料導(dǎo)熱能力的核心物性。所有已知材料在室溫下的熱導(dǎo)率都分布在大約0.01—1000 Wm-1K-1這一范圍。比如硅和銅的熱導(dǎo)率在100 Wm-1K-1這一數(shù)量級(jí)，比較高，可以有效幫助電腦和手機(jī)保持較低的工作溫度。然而，隨著先進(jìn)微電子芯片內(nèi)部的熱流密度越來(lái)越高，為了保證有效散熱，對(duì)于具有超高熱導(dǎo)率的材料的要求也越來(lái)越緊迫。
鉆石在室溫下的熱導(dǎo)率大約是2000 Wm-1K-1，自1953年至今，一直都是公認(rèn)的熱導(dǎo)率最高的塊材。然而高質(zhì)量的鉆石即稀少又昂貴，不適合廣泛用于散熱。石墨是鉆石的同素異構(gòu)體，其面向熱導(dǎo)率接近鉆石，價(jià)格也便宜很多，然而垂直面向的熱導(dǎo)率只有面向的1/300。人們探索室溫?zé)釋?dǎo)率超過(guò)1000 Wm-1K-1的超級(jí)導(dǎo)熱材料，已經(jīng)有幾十年的歷史，然而一直沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破；直到2013年，基于第一性原理的計(jì)算預(yù)測(cè)了半導(dǎo)體砷化硼晶體的熱導(dǎo)率可能與鉆石相當(dāng)。這個(gè)預(yù)測(cè)很出乎意料，因?yàn)榛谝恍┚媒?jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的基本規(guī)律，至少自1973年以來(lái)，人們普遍認(rèn)為砷化硼的熱導(dǎo)率只有大約200 Wm-1K-1。緊接著，三個(gè)獨(dú)立研究組在2018年同時(shí)在國(guó)際頂級(jí)期刊Science 報(bào)道了高質(zhì)量砷化硼晶體的生長(zhǎng)及其熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。高達(dá)約1200 Wm-1K-1使得砷化硼成為熱導(dǎo)率最高的非碳材料，在所有各向同性材料中僅次于鉆石。
圖A為兩塊高質(zhì)量天然同位素豐度立方氮化硼晶體的光學(xué)照片；圖B為立方氮化硼、砷化硼以及鉆石等超級(jí)導(dǎo)熱材料在不同溫度下的熱導(dǎo)率
北京大學(xué)工學(xué)院宋柏特聘研究員在麻省理工學(xué)院從事博士后研究期間，參與主導(dǎo)了2018年關(guān)于砷化硼晶體的三個(gè)實(shí)驗(yàn)工作之一。自2019年1月起，宋柏博士入職北大。2020年1月9日，宋柏與合作者再次于Science 雜志報(bào)道了有關(guān)新型超級(jí)導(dǎo)熱材料的最新發(fā)現(xiàn)。這一次的超高熱導(dǎo)率材料是半導(dǎo)體立方氮化硼晶體。雖然室溫下天然同位素豐度的立方氮化硼晶體熱導(dǎo)率只有大約850 Wm-1K-1，然而經(jīng)過(guò)硼同位素的富集，在包含約99%的硼-10或硼-11的立方氮化硼晶體中，觀測(cè)到超過(guò)1600 Wm-1K-1的熱導(dǎo)率。這一數(shù)值大大超過(guò)砷化硼，也就意味著硼同位素富集的立方氮化硼晶體已經(jīng)取代砷化硼，成為最好的非碳及各向同性的導(dǎo)熱材料。同樣值得注意的是，實(shí)驗(yàn)上通過(guò)同位素富集把熱導(dǎo)率提高約90%，這也是迄今為止觀測(cè)到的最大同位素?zé)嵝?yīng)。
宋柏及合作者之所以能夠得到超高熱導(dǎo)率，主要是消除了天然豐度立方氮化硼晶體中，由于硼-10和硼-11兩種同位素混合而產(chǎn)生的對(duì)于熱流的阻力。第一性原理計(jì)算揭示，立方氮化硼里這一巨大同位素效應(yīng)的產(chǎn)生，主要是由于硼-10和硼-11這兩種同位素的相對(duì)質(zhì)量差別較大。同為三五族半導(dǎo)體，砷化硼和磷化硼這兩種晶體與立方氮化硼十分相似。然而對(duì)于砷化硼和磷化硼的實(shí)驗(yàn)和理論研究只發(fā)現(xiàn)了很小的同位素效應(yīng)。原來(lái)隨著與硼原子搭配的原子質(zhì)量逐漸增大（從氮到磷再到砷），由于兩種硼同位素混合而存在的質(zhì)量無(wú)序度變得越來(lái)越不重要；對(duì)于熱流來(lái)說(shuō)，幾乎已經(jīng)不可見(jiàn)了。
這一研究工作背后，是一個(gè)集合了24位物理學(xué)家、材料科學(xué)家以及機(jī)械工程學(xué)家的國(guó)際團(tuán)隊(duì)。其中包括麻省理工學(xué)院的Gang Chen（陳剛）教授研究組，波士頓大學(xué)的David Broido教授研究組，伊利諾伊大學(xué)香檳分校的David Cahill教授研究組，德克薩斯州立大學(xué)奧斯汀分校的Li Shi（石立）教授研究組，休斯頓大學(xué)的Zhifeng Ren（任志鋒）教授研究組，德克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校的Bing Lv（呂兵）教授研究組，日本國(guó)立材料研究所的Takashi Taniguchi教授研究組，以及現(xiàn)北京大學(xué)宋柏特聘研究員。原麻省理工學(xué)院博士后研究員陳科博士以及原波士頓大學(xué)博士后研究員Navaneetha K. Ravichandran博士和宋柏研究員為共同第一作者。宋柏研究員和Gang Chen（陳剛）教授以及 David Broido教授為共同通訊作者。
立方氮化硼晶體具有超高的硬度和化學(xué)耐受力，用于機(jī)械加工，可以勝任很多鉆石工具難以工作的尖端制造環(huán)境（如高溫）。立方氮化硼還具有非常寬的能帶間隙，是制造紫外光電器件的上好材料。擁有如此優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)以及光學(xué)性質(zhì)，再加上如此少見(jiàn)的超高熱導(dǎo)率，立方氮化硼晶體在很多涉及大功率、高溫以及高光子能量的關(guān)鍵熱管理應(yīng)用中前景廣闊。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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