立方氮化硼超高熱導(dǎo)率半導(dǎo)體的研究（CBN）

  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—1000Wm-1K-1這一范圍。比如硅和銅的熱導(dǎo)率在100Wm-1K-1這一數(shù)量級比較高，可以**幫助電腦和手機(jī)保持較低的工作溫度。然而，隨著**微電子芯片內(nèi)部的熱流密度越來越高，為了保證**散熱，對于具有超高熱導(dǎo)率的材料的要求也越來越緊迫。

  鉆石在室溫下的熱導(dǎo)率大約是2000Wm-1K-1，自1953年至今，一直都是公認(rèn)的熱導(dǎo)率高的塊材。然而**的鉆石既稀少又昂貴，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1000Wm-1K-1的超級導(dǎo)熱材料，已經(jīng)有幾十年的歷史，然而一直沒有實(shí)質(zhì)性的突破；直到2013年，基于一性原理的計(jì)算預(yù)測了半導(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)測很出乎意料，因?yàn)榛�于一些久�?jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的基本規(guī)律，至少自1973年以來，人們普遍認(rèn)為砷化硼的熱導(dǎo)率只有大約200Wm-1K-1。緊接著，三個(gè)獨(dú)立研究組在2018年同時(shí)在國際**期刊Science報(bào)道了**砷化硼晶體的生長及其熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)測量。高達(dá)約1200Wm-1K-1使得砷化硼成為熱導(dǎo)率高的非碳材料，在所有各向同性材料中僅次于鉆石。

  某研究員在研究期間，報(bào)道了有關(guān)新型超級導(dǎo)熱材料的新發(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850Wm-1K-1，然而經(jīng)過硼同位素的富集，在包含約99%的硼-10或硼-11的立方氮化硼晶體中，觀測到超過1600 Wm-1K-1的熱導(dǎo)率。這一數(shù)值大大超過砷化硼，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)上通過同位素富集把熱導(dǎo)率提高約90%，這也是**觀測到的同位素?zé)嵝��?yīng)。

  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)生的對于熱流的阻力。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**相似。然而對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)量無序度變得越來越不重要；對于熱流來說，幾乎已經(jīng)不可見了。

  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**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。

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