7月21日，來自麻省理工學(xué)院研究人員以及其合作伙伴已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種性能比硅好得多的材料。下一步是找到實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的方法來制造它,。硅是地球上最豐富的元素之一，以其純粹的形式,，這種半導(dǎo)體材料已成為許多現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)，包括微電子計(jì)算機(jī)芯片和太陽能電池,。然而,，硅作為一種半導(dǎo)體的特性實(shí)際上遠(yuǎn)非理想。

　　其中一個(gè)原因是,，盡管硅允許電子輕易地在其結(jié)構(gòu)中流動(dòng),，但它對(duì)“空穴”——電子帶正電的對(duì)應(yīng)物的適應(yīng)性要差得多，而利用這兩者對(duì)特定類型的設(shè)備至關(guān)重要,。此外,，硅在傳輸熱量方面做得很差，這導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)中頻繁的過熱問題和昂貴的冷卻系統(tǒng),。

　　現(xiàn)在,，來自麻省理工學(xué)院、休斯敦大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),，顯示一種名為立方砷化硼的材料克服了這兩個(gè)限制,。除了為電子和空穴提供高遷移率外，它還具有出色的導(dǎo)熱性,。據(jù)研究人員說,，它是迄今發(fā)現(xiàn)的最好的半導(dǎo)體材料，也許是可能的最好的材料,。

　　迄今為止,，立方砷化硼只在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小批次中被制造和測試,，而這些批次并不均勻。事實(shí)上,，為了測試材料中的小區(qū)域,，科學(xué)家們不得不使用最初由麻省理工學(xué)院博士后白松開發(fā)的特殊方法。要確定立方砷化硼是否能以實(shí)用,、經(jīng)濟(jì)的形式制成,，更不用說取代無處不在的硅還需要更多的工作。但研究人員說,，即使在不久的將來,，這種材料也能找到一些用途，其獨(dú)特的性能將產(chǎn)生重大的影響,。

　　今年7月21日,，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;休斯敦大學(xué)的Zhifeng Ren;以及麻省理工學(xué)院、休斯敦大學(xué),、得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和波士頓學(xué)院的其他14人在《科學(xué)》雜志上報(bào)告了這些發(fā)現(xiàn),。

　　早期的研究包括David Broido的工作,，他是新論文的共同作者,，從理論上預(yù)測該材料將具有高導(dǎo)熱性。隨后的工作通過實(shí)驗(yàn)證明了這一預(yù)測,。這項(xiàng)最新工作通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Chen的小組在2018年做出的預(yù)測,，從而完成了分析，“立方砷化硼也將具有非常高的電子和空穴遷移率,，這使得這種材料真的很獨(dú)特,。”Chen說,。

　　早期的實(shí)驗(yàn)表明,，立方砷化硼的熱導(dǎo)率幾乎是硅的10倍?！耙虼?，僅就散熱而言，這非常有吸引力,?！盋hen說。他們還表明,，這種材料有一個(gè)非常好的帶隙,，這一特性使它作為一種半導(dǎo)體材料具有巨大的潛力。

　　現(xiàn)在,，新的工作填補(bǔ)了這一空白,，表明憑借其電子和空穴的高遷移率,，砷化硼具有理想半導(dǎo)體所需的所有主要品質(zhì)?！斑@很重要,，因?yàn)樵诎雽?dǎo)體中，正電和負(fù)電都是等價(jià)的,。因此,，如果建立一個(gè)設(shè)備，希望有一種材料,，讓電子和空穴都以較小的阻力移動(dòng),。”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，但空穴遷移率不高,。

　　論文的主要作者Shin說：“熱量現(xiàn)在是許多電子產(chǎn)品的一個(gè)主要瓶頸,。碳化硅正在取代硅，用于電動(dòng)車行業(yè)的電力電子設(shè)備,，因?yàn)樗膶?dǎo)熱性比硅高三倍,，盡管它的電子遷移率較低。想象一下,，砷化硼可以實(shí)現(xiàn)什么,，它的導(dǎo)熱性比硅高10倍，移動(dòng)性比硅高很多,。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)鍵里程碑是因?yàn)槁槭±砉W(xué)院的超快激光光柵系統(tǒng)的進(jìn)展,?！边@種技術(shù)最初是由Song 開發(fā)。他說,，如果沒有這種技術(shù),，就不可能證明這種材料的電子和空穴的高流動(dòng)性。

　　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)算來預(yù)測的,，而這些預(yù)測現(xiàn)在已經(jīng)通過在麻省理工學(xué)院進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證,，該實(shí)驗(yàn)使用光學(xué)檢測方法對(duì)Ren和休斯頓大學(xué)的團(tuán)隊(duì)成員制作的樣品進(jìn)行檢測。

　　該材料的導(dǎo)熱性不僅是所有半導(dǎo)體中最好的,，而且科學(xué)家們還說它的導(dǎo)熱性在所有材料中排名第三——僅次于鉆石和富含同位素的立方氮化硼,?！岸F(xiàn)在，我們預(yù)測了電子和空穴的量子力學(xué)行為,，也是從第一原理出發(fā),，這也被證明是真實(shí)的，”Chen說,，“這令人印象深刻,，因?yàn)槌耸┲猓覍?shí)際上不知道有任何其他材料具有所有這些特性,。而這是一種具有這些特性的散裝材料,。”

　　Chen表示,，現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是找出實(shí)用的方法,，以可用的數(shù)量制造這種材料。目前制造它的方法產(chǎn)生了非常不均勻的材料,，因此該團(tuán)隊(duì)必須找到方法來測試只是小塊的局部材料,，這些材料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“它是否或在哪里會(huì)被真正使用,，我們并不知道?！盋hen說,，“硅是整個(gè)行業(yè)的主力,，我們已經(jīng)有了一種更好的材料,，但它是否真的會(huì)威脅這個(gè)行業(yè)?我們不知道。雖然這種材料看起來幾乎是一種理想的半導(dǎo)體,，它是否真的能進(jìn)入設(shè)備并取代目前的一些市場,，我認(rèn)為這仍有待證明?！?/p>

　　而且,，雖然該材料熱和電性能已被證明是優(yōu)秀的，但一種材料的許多其他性能還有待測試,，例如它的長期穩(wěn)定性,，Chen說：“為了制造設(shè)備，還有許多其他因素我們還不知道,?！边@有可能真的很重要，而人們甚至還沒有真正注意到這種材料?，F(xiàn)在,，砷化硼的理想特性已經(jīng)變得更加明確,，表明這種材料在許多方面是最好的半導(dǎo)體，也許人們會(huì)更加關(guān)注這種材料,。

　　展望商業(yè)用途,，Ren說：“一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)將是如何像硅一樣有效地生產(chǎn)和凈化立方砷化硼?！杌藥资甑臅r(shí)間贏得了桂冠,，其純度超過99.99999999%，即今天大規(guī)模生產(chǎn)的‘10個(gè)9’,?！?/p>

　　為了使它在市場上變得實(shí)用，“它確實(shí)需要更多的人開發(fā)不同的方法來制造更好的材料并對(duì)其進(jìn)行表征,?！盋hen說，這種開發(fā)的必要資金是否能得到,，還有待觀察,。