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硅是地球上最豐富的元素之一，其純凈形式已成為許多現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)，從太陽(yáng)能電池到計(jì)算機(jī)芯片。但硅作為半導(dǎo)體的特性遠(yuǎn)非理想。

一方面，盡管硅可以讓電子輕松穿過其結(jié)構(gòu)，但它不太適合“空穴”——電子的帶正電對(duì)應(yīng)物——而利用兩者對(duì)于某些類型的芯片很重要。更重要的是，硅不太擅長(zhǎng)導(dǎo)熱，這就是為什么過熱問題和昂貴的冷卻系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中很常見的原因。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院、休斯頓大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)的一組研究人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，表明一種稱為立方砷化硼（cubic boron arsenide）的材料克服了這兩個(gè)限制。它為電子和空穴提供高遷移率，并具有出色的導(dǎo)熱性。研究人員說，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最好的半導(dǎo)體材料，也許是最好的一種。

到目前為止，立方砷化硼只是在不均勻的小批量實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的批次中制造和測(cè)試。研究人員不得不使用最初由前 MIT 博士后 Bai Song 開發(fā)的特殊方法來(lái)測(cè)試材料中的小區(qū)域。需要做更多的工作來(lái)確定立方砷化硼是否可以以實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的形式制造，更不用說替代無(wú)處不在的硅了。研究人員說，但即使在不久的將來(lái)，這種材料也可以找到一些用途，其獨(dú)特的特性會(huì)產(chǎn)生重大影響。

該發(fā)現(xiàn)今天發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，由麻省理工學(xué)院博士后 Jungwoo Shin 和麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授 Gang Chen 撰寫。此外，參與者還包括休斯頓大學(xué)任志峰以及來(lái)自麻省理工學(xué)院、休斯頓大學(xué)、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和波士頓學(xué)院的其他 14 人。

早期的研究，包括新論文的合著者大衛(wèi)·布羅伊多的工作，從理論上預(yù)測(cè)該材料將具有高導(dǎo)熱性。隨后的工作通過實(shí)驗(yàn)證明了這一預(yù)測(cè)。這項(xiàng)最新工作通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了 Chen 團(tuán)隊(duì)早在 2018 年做出的預(yù)測(cè)，從而完成了分析：立方砷化硼對(duì)電子和空穴也具有非常高的遷移率，“這使得這種材料非常獨(dú)特，”Chen 說。

較早的實(shí)驗(yàn)表明，立方砷化硼的熱導(dǎo)率幾乎是硅的 10 倍。“所以，這對(duì)于散熱來(lái)說非常有吸引力，”chen說。他們還表明，該材料具有非常好的帶隙，這一特性使其具有作為半導(dǎo)體材料的巨大潛力。

現(xiàn)在，這項(xiàng)新工作填補(bǔ)了這幅圖景，表明砷化硼具有高電子和空穴遷移率，具有理想半導(dǎo)體所需的所有主要品質(zhì)?！斑@很重要，因?yàn)楫?dāng)然在半導(dǎo)體中，我們同時(shí)有正電荷和負(fù)電荷。所以，如果你制造一個(gè)設(shè)備，你想要一種電子和空穴都以較小的阻力傳播的材料，”Chen 說。

硅具有良好的電子遷移率，但空穴遷移率較差，而其他材料（如廣泛用于激光器的砷化鎵）同樣具有良好的電子遷移率，但對(duì)空穴不具有良好的遷移率。

“熱量現(xiàn)在是許多電子產(chǎn)品的主要瓶頸，”該論文的主要作者 Shin 說。“碳化硅正在取代包括特斯拉在內(nèi)的主要電動(dòng)汽車行業(yè)的電力電子產(chǎn)品硅，因?yàn)楸M管電遷移率較低，但它的導(dǎo)熱率是硅的三倍。想象一下砷化硼可以達(dá)到什么效果，其導(dǎo)熱率和遷移率比硅高 10 倍。它可以改變游戲規(guī)則。”

Shin 補(bǔ)充說，“使這一發(fā)現(xiàn)成為可能的關(guān)鍵里程碑是麻省理工學(xué)院超快激光光柵系統(tǒng)的進(jìn)步，”最初由 Song 開發(fā)。他說，如果沒有這種技術(shù)，就不可能證明該材料對(duì)電子和空穴的高遷移率。

他說，立方砷化硼的電子特性最初是根據(jù) Chen 的小組所做的量子力學(xué)密度函數(shù)計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)的，現(xiàn)在這些預(yù)測(cè)已經(jīng)通過在 MIT 進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)使用了休斯頓大學(xué)的團(tuán)隊(duì)Ren 及其成員制作的樣品的光學(xué)檢測(cè)方法。

研究人員說，這種材料的熱導(dǎo)率不僅是所有半導(dǎo)體中最好的，而且在所有材料中熱導(dǎo)率排名第三——僅次于金剛石和富含同位素的立方氮化硼?！艾F(xiàn)在，我們也從第一原理預(yù)測(cè)了電子和空穴的量子力學(xué)行為，這也被證明是正確的，”chen說。

“這令人印象深刻，因?yàn)槌耸┲?，我?shí)際上不知道有任何其他材料具有所有這些特性，”他說。“這是一種具有這些特性的散裝材料。”

他說，現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是找出使這種材料達(dá)到可用數(shù)量的實(shí)用方法。目前制造非常不均勻的材料的方法，因此團(tuán)隊(duì)必須找到方法來(lái)測(cè)試材料的小局部補(bǔ)丁，這些補(bǔ)丁足夠均勻以提供可靠的數(shù)據(jù)。雖然他們已經(jīng)證明了這種材料的巨大潛力，但“我們不知道它是否或在哪里實(shí)際使用，”chen說。

“硅是整個(gè)行業(yè)的主力，”chen說。“所以，好吧，我們有一種更好的材料，但它真的會(huì)抵消這個(gè)行業(yè)嗎？我們不知道。” 雖然這種材料看起來(lái)幾乎是一種理想的半導(dǎo)體，但“它是否真的可以進(jìn)入設(shè)備并取代目前的一些市場(chǎng)，我認(rèn)為這還有待證明?！?/p>

chen說，雖然熱性能和電性能已被證明非常出色，但材料的許多其他性能仍有待測(cè)試，例如其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。“要制造設(shè)備，還有許多我們還不知道的其他因素?！?/p>

他補(bǔ)充說，“這可能非常重要，人們甚至沒有真正關(guān)注過這種材料?！?現(xiàn)在砷化硼的理想特性已經(jīng)變得更加清晰，這表明該材料“在許多方面都是最好的半導(dǎo)體”，他說，“也許這種材料會(huì)受到更多關(guān)注?！?/p>

對(duì)于商業(yè)用途，Ren 說，“一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是如何像硅一樣有效地生產(chǎn)和純化立方砷化硼?！杌藥资甑臅r(shí)間才贏得桂冠，純度超過 99.99999999%，或者今天的大規(guī)模生產(chǎn)是 '10 個(gè)九'?！?/p>

chen說，要使其在市場(chǎng)上實(shí)用，“確實(shí)需要更多的人開發(fā)不同的方法來(lái)制造更好的材料并對(duì)其進(jìn)行表征?！?他說，這種發(fā)展所需的資金是否可用還有待觀察。

該研究得到了美國(guó)海軍研究辦公室的支持，并使用了麻省理工學(xué)院 MRSEC 共享實(shí)驗(yàn)設(shè)施的設(shè)施，并得到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。