Borarsenid-Kristalle führen Wärme, die Hochleistungs-Halbleiter in Servern und Stromwandlern erzeugen, um ein Vielfaches besser und schneller abführen als mit bisher eingesetzten Werkstoffen. Damit lässt sich die Leistung der Halbleiter deutlich steigern. [...]
Die Abfuhr der Wärme ist extrem wichtig, weil Halbleiter-Bauelemente ab einer bestimmten Temperatur zerstört werden.
Aufbau von Kristallen optimiert
Der Durchbruch ist Forschern der University of Illinois und der University of Texas (UT Dallas) gelungen. Sie haben das Wachstum der Borarsenid-Kristalle, die schon in ihrer Urform hervorragende Wärmeleiter sind, optimiert. Borarsenid kommt in der Natur nicht vor. Alle Kristalle werden künstlich hergestellt. Die Wärmeleiteigenschaften sind stark abhängig von der Struktur der Kristalle und der Zahl der Fehlstellen, also Einschlüssen von Fremdmaterialien.
„Wir haben die Strukturdefekte von Borarsenid-Kristallen studiert, die an der UT Dallas hergestellt worden waren, und deren Wärmeleitfähigkeit gemessen“, sagt David Cahill, Professor für Ingenieurs- und Materialwissenschaften in Illinois. Anhand dieser Erkenntnisse setzten die Forscher eine neue Technik zum Aufbau von Kristallen ein, genannt Chemical Vapor Transport. Basismaterialien sind Bor und Arsen. Diese werden erhitzt, sodass sich Atome verflüchtigen. Diese werden in einem Gasstrom zum Ziel befördert, einer Unterlage, auf der der Kristall langsam heranwächst. Das Ganze geschieht im Vakuum.
Versuchs- und Irrtum-Methode
„Wir kombinierten theoretische Überlegungen zum Wachstum der Kristalle mit der Versuchs- und Irrtum-Methode, um die optimale Kristallstruktur zu erreichen“, ergänzt Qiye Zheng, der zu Cahills Team gehört. Manchen ist „Trial and Error“ geläufiger. Per Elektronenmikroskop überprüften die Forscher die Kristalle auf Störstellen, die die Wärmeleitfähigkeit reduzieren.
Wie hoch sie jeweils war, wurde im Verfahren „time-domain thermoreflectance“ gemessen. Es beruht darauf, dass sich die Reflektion eines erwärmten Körpers verändert, wenn dieser abkühlt. Die so hergestellten Kristalle leiten Wärme dreimal besser als bisherige Werkstoffe. Noch besser ist Diamant, doch er ist, wenn er aus einer Mine kommt, teuer. Und synthetisch hergestellte Diamanten haben oft Fehlstellen, die die Wirksamkeit beeinträchtigen.
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