将电脑内部电路的热量传递到外部环境是至关重要的:过热的电脑芯片会使程序运行变慢或死机，导致设备完全关闭或造成永久性损坏。

随着消费者要求更小、更快、更强大的电子设备，这些设备会吸收更多的电流，产生更多的热量，热管理问题正面临瓶颈。以目前的技术，从内到外散发的热量是有限的。

德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员及其在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和休斯顿大学的合作者已经创造了一个潜在的解决方案，在7月5日在线发表在该杂志上的一项研究中进行了描述科学．

达拉斯德州大学自然科学与数学学院的物理学助理教授吕冰(音“love”)和他的同事们制造了一种名为砷化硼的半导体材料晶体，这种材料具有极高的导热性，这种特性描述了材料传输热量的能力。

该研究的通讯作者吕说:“热管理对依赖计算机芯片和晶体管的行业非常重要。”“对于大功率小型电子产品，我们不能使用金属散热，因为金属会导致短路。我们不能使用冷却风扇，因为它们占用空间。我们需要的是一种廉价的半导体，它也能散发大量的热量。”

今天的大多数计算机芯片都是由硅元素制成的，硅是一种晶体半导体材料，可以充分散热。但是硅和其他冷却技术结合到设备中，只能处理这么多。

金刚石的导热系数是已知最高的，约为2200瓦/米开尔文，而硅的导热系数约为150瓦/米开尔文。他说，虽然金刚石偶尔被用于要求苛刻的散热应用，但天然金刚石的成本和人造金刚石薄膜的结构缺陷使得这种材料在电子产品中的广泛应用不切实际。

2013年，波士顿学院(Boston College)和海军研究实验室(Naval Research Laboratory)的研究人员发表了一项研究，预测砷化硼作为散热器的性能可能与钻石一样好。2015年，Lv和他在休斯顿大学的同事成功地生产出了这种砷化硼晶体，但这种材料的导热系数相当低，大约为每米开尔文200瓦。

从那时起，Lv在德州大学达拉斯分校的工作一直专注于优化晶体生长过程，以提高材料的性能。

“我们在过去的三年里一直在研究这项研究，现在已经把导热系数提高到每米开尔文1000瓦左右，这在块状材料中仅次于钻石，”Lv说。

吕博士与该研究的共同第一作者、博士后研究员李胜、物理学博士生刘晓元(也是该研究的作者)一起，在达拉斯德州大学使用一种名为化学蒸汽传输的技术创造了高导热晶体。原料——硼和砷元素——被放置在一个一端是热的另一端是冷的房间里。在室内，另一种化学物质将硼和砷从热端运送到冷端，在那里这些元素结合形成晶体。

“为了从之前的200瓦/米开尔文提高到1000瓦/米开尔文，我们需要调整许多参数，包括我们开始使用的原材料，腔室的温度和压力，甚至我们使用的管道类型以及我们如何清洁设备，”吕说。

伊利诺伊大学香槟分校的David Cahill和Pinshane Huang的研究小组在目前的工作中发挥了关键作用，他们通过最先进的电子显微镜研究砷化硼晶体中的缺陷，并测量了德克萨斯大学达拉斯分校生产的非常小的晶体的导热性。

材料科学与工程系教授兼系主任、该研究的通讯作者卡希尔说:“我们使用伊利诺斯州过去十几年来开发的一种名为‘时域热反射’(TDTR)的方法来测量导热系数。”“TDTR使我们能够在广泛的条件下测量几乎任何材料的导热性，这对这项工作的成功至关重要。”

热在砷化硼和其他晶体中的消散方式与材料的振动有关。当晶体振动时，运动产生称为声子的能量包，声子可以被认为是携带热量的准粒子。Lv说，砷化硼晶体的独特特性——包括硼原子和砷原子之间的质量差异——有助于声子更有效地离开晶体。

“我认为砷化硼对电子的未来有很大的潜力，”吕说。“它的半导体特性与硅非常相似，这就是为什么将砷化硼加入半导体器件中是理想的。”

吕教授说，虽然砷元素本身对人体是有毒的，但一旦它被掺入像砷化硼这样的化合物中，这种物质就会变得非常稳定和无毒。

Lv说，下一步的工作将包括尝试其他工艺来改善这种材料的生长和性能，以用于大规模应用。

这项研究得到了海军研究办公室和空军科学研究办公室的支持。