Überraschendes Wärmeübertragungsverhalten bei neuem Halbleiter unter Druck

Die Wärmeleitfähigkeit von Materialien nimmt normalerweise zu, wenn sie sehr hohen Drücken ausgesetzt sind. Aber Forscher der University of California, Los Angeles (UCLA) haben herausgefunden, dass das Gegenteil für Borarsenid gilt – ein neu entdeckter Halbleiter, der viel versprechend für Wärmemanagementanwendungen und fortschrittliche elektronische Geräte ist. Der Befund könnte unsere Denkweise über den Wärmetransport unter extremen Bedingungen verändern, wie sie im Erdinneren herrschen, wo direkte Messungen unmöglich sind.

Die Forscher, angeführt von Yongjie Hu, übten hydrostatischen Druck auf Borarsenidproben aus, die zwischen zwei Diamanten in einer Ambosszelle platziert wurden. Anschließend untersuchten sie, wie sich die atomaren Schwingungen des Kristallgitters (Phononen, der Hauptweg, auf dem Wärme durch Materialien transportiert wird) mit zunehmendem Druck von bis zu 32 GPa veränderten. Dazu verwendeten sie eine Vielzahl ultraschneller optischer Messungen, einschließlich Raman-Spektroskopie und inelastischer Röntgenstreuung. Das Team fand heraus, dass die Wärmeleitfähigkeit von Borarsenid bei extrem hohem Druck – hundertmal höher als der auf dem Meeresgrund – abzunehmen beginnt.

Hu und Kollegen, die über ihre Arbeit in berichten Natur, schreiben das anomale Hochdruckverhalten, das sie beobachteten, einer möglichen Störung zu, die durch die konkurrierenden Wege verursacht wird, auf denen Wärme durch den Borarsenidkristall wandert, wenn der Druck steigt. In diesem Fall besteht die Konkurrenz zwischen Drei-Phononen- und Vier-Phononen-Streuprozessen. Bei den meisten gängigen Materialien wird der gegenteilige Effekt beobachtet: Wenn der Druck die Atome näher zusammenpresst, bewegt sich die Wärme Atom für Atom schneller durch die Struktur.

Ein Mechanismus für ein internes thermisches Fenster

Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die Wärmeleitfähigkeit von Materialien nach einem Schwellendruckbereich ein Maximum erreichen kann. „Wir freuen uns sehr, dass diese Erkenntnis die allgemeine Regel der Wärmeübertragung unter extremen Bedingungen bricht und auf neue grundlegende Möglichkeiten hinweist“, sagt Hu Physik-Welt, „Die Studie könnte auch unser etabliertes Verständnis dynamischer Verhaltensweisen beeinflussen, beispielsweise für das Innere von Planeten. Es könnte sogar Auswirkungen auf die Erforschung des Weltraums und den Klimawandel geben.“

Langlebige heiße Elektronen in „Wunder“-Halbleiter entdeckt

Hus Kollege, Co-Autor Abby Kavner fügt hinzu: „Falls auf das Innere von Planeten anwendbar, könnten unsere Ergebnisse einen Mechanismus für ein internes ‚thermisches Fenster‘ nahelegen – eine innere Schicht innerhalb des Planeten, in der sich die Mechanismen des Wärmeflusses von denen darunter und darüber unterscheiden.“

Es könnte andere Materialien geben, die das gleiche Phänomen unter extremen Bedingungen erleben, die gegen die klassischen Regeln verstoßen, sagt Hu. Tatsächlich könnten die neuen Erkenntnisse bei der Entwicklung neuartiger Materialien für intelligente Energiesysteme mit eingebauten „Druckfenstern“ helfen, sodass sich das System nur innerhalb eines bestimmten Druckbereichs einschaltet, bevor es nach Erreichen eines maximalen Druckpunkts automatisch abschaltet.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/surprising-heat-transfer-behaviour-seen-in-new-semiconductor-under-pressure/