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單層六方氮化硼(BN)會是下一代首選熱門散熱材料

發布日期:2019-09-18 作者: 點擊:

      以柔性可穿戴設備為例,隨著現代設備的輕量化、小型化,熱管理變得越來越重要,開發絕緣高導熱材料也就越來越重要。

由澳大利亞研究理事會(Australian Research Council,ARC)通過科技成果轉化獎項資助,由迪肯大學旗下機構主導完成的一項研究結果表明,單層六方氮化硼(BN)在室溫下的導熱系數達751W/mK,以單位重量計,在所有半導體和絕緣材料中第二高(譯者注:金剛石為第一高),且隨著六方氮化硼的層數增加,導熱系數逐步減小。這也意味著單層六方氮化硼將成為下一代柔性電子器件散熱材料的首選熱門材料。image.png

      金剛石和立方氮化硼(cBN)原本是這類材料中導熱系數最高的,但由于生產成本以及脆性,很難在柔性設備中采用;還有最近發現的帶隙1.5eV的高質量立方砷化硼(BAs)的導熱系數可達約1000W/mK,但也在柔性上打了問號。相比之下,高定向熱解六方氮化硼(highly oriented pyrolytic hexagonal BN,HOPBN)性能接近單晶氮化硼,盡管有許多晶界、缺陷和位錯,但其導熱系數在室溫下仍高達400W/mK。

      在此前的許多研究中發現,少層BN的導熱性能甚至不如普通hBN塊材,甚至曾有實驗數據顯示5層BN的熱導率比11層BN更差。本次研究人員認為,之前存在hBN樣品的缺陷問題。并且,樣品轉移過程中都涉及到了聚合物(如PMMA)的使用,存在殘留污染。因此也不可避免地破壞了實驗結果。

      本次實驗采用了透明膠帶法制備單層BN(和當初的諾獎獲得者制備石墨烯的方法類似),并采用了拉曼光譜法測量結果。研究人員將剝離的單層BN分別覆蓋到了納米氧化硅覆蓋的硅基底和鍍金硅基底上,兩種基底都經過處理,配有預制微孔和溝槽,這是為了避免加熱過程中氣體膨脹。

      最終,通過制備高質量單層BN并進行試驗,研究人員揭示了該材料固有的熱導率。結果表明,在半導體和絕緣體中,單層BN是除了金剛石和立方砷化硼以外熱導率最高的材料。但它同時還具備低密度、高強度、高韌性、高延展性、高穩定性、抗滲性等多重優勢,這就使它的應用前途尤為廣闊。


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