科学家发现了一种比钻石还硬的材料

研究团队发现，当砷化硼（BAs）晶体以极高纯度制备时，其室温导热率可超过2100瓦每米每开尔文（W/mK）——甚至可能超越钻石本身。这项发表在《今日材料》（Materials Today）上的研究挑战了现有的理论模型，并可能重塑科学家对固体材料中热传导的认知。研究结果还为需要先进热管理的设备（包括智能手机、大功率电子设备和数据中心）指出了一种极具前景的新型半导体选择。
该研究的通讯作者、休斯顿大学自然科学与数学学院物理学教授任志峰表示：“我们相信自己的测量结果；数据是准确的，这意味着理论需要修正。我不是说理论错了，而是需要进行调整以与实验数据保持一致。”

### 突破长期限制
这一发现源于休斯顿大学得克萨斯超导中心（由任志峰领导）、加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和波士顿学院的合作。十多年来，砷化硼一直吸引着科学家。2013年，波士顿学院物理学家、该研究的合著者大卫·布罗伊多及其同事预测，砷化硼在理论上的导热效率可能与钻石相当，甚至更高。然而，2017年的修正模型引入了一种称为“四声子散射”的复杂因素，将预测性能降至约1360 W/mK，导致该领域许多人放弃了砷化硼可能超越钻石导热率的想法。
不过，任志峰的团队怀疑问题并非出在材料的固有能力上，而是其中的杂质。早期实验样品含有缺陷，性能限制在约1300 W/mK，远低于理论预测的理想条件。

### 更纯净的晶体，破纪录的结果
通过提纯原始砷并开发改进的合成方法，休斯顿大学领导的团队制备出缺陷显著减少的砷化硼晶体。测试显示，这些高纯度样品的导热率高达2100 W/mK以上——不仅超过早期实验结果，甚至突破了理论上限。这一成果证实材料纯度对热传导性能起决定性作用，并为开发更高效的导热材料开辟了道路。

### 这一发现为何重要
该突破的意义远超实验室测量。砷化硼有望通过提供一种既能有效散热又能作为高质量半导体的材料，彻底改变电子和半导体技术。其优势包括：与钻石相比，制造更简单、成本更低，无需极端温压条件；兼具卓越导热性与高效半导体性能；因高载流子迁移率、宽禁带和匹配良好的热膨胀系数，电子性能可能优于硅。任志峰评价：“这种新材料太棒了，集优质半导体和优良导热体的最佳特性于一身，这在其他半导体材料中从未有过。”

### 展望：突破物理学边界
尽管该发现标志着新前沿，研究仍在继续。得克萨斯超导中心计划改进方法以进一步提升砷化硼性能。该研究是由加州大学圣巴巴拉分校廖柏林领导的280万美元美国国家科学基金会项目的一部分，休斯顿大学、圣母大学和加州大学欧文分校参与，还获工业伙伴Qorvo部分支持。任志峰鼓励科学家重新审视现有模型，挑战可能低估砷化硼等材料的理论假设：“不应让理论阻止发现更大的可能，而这正是本研究的经历。”