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Uma equipe de pesquisadores de ciência e engenharia de materiais da Universidade de Illinois Urbana-Champaign resolveu um quebra-cabeça de longa data sobre valores de condutividade térmica medidos mais baixos de cristais cúbicos de carboneto de silício (3C-SiC) na literatura do que o politipo SiC de fase hexagonal estruturalmente mais complexo (6H-SiC). A nova condutividade térmica medida do 3C-SiC a granel tem a segunda maior condutividade térmica entre os grandes cristais em escala de polegadas, perdendo apenas para o diamante.
O professor David Cahill (Grainger Distinguished Chair em Engenharia e codiretor do IBM-Illinois Discovery Accelerator Institute) e o Dr. Zhe Cheng (pós-doutorado) relatam uma alta condutividade térmica isotrópica de cristais 3C-SiC que excede 500 W m-1k-1. A equipe colaborou com a Air Water, Inc, com sede no Japão, para cultivar cristais de alta qualidade, com as medições de condutividade térmica realizadas na UIUC na suíte MRL Laser and Spectroscopy. Seus resultados foram recentemente publicados em Natureza Comunicações.
O carboneto de silício (SiC) é um semicondutor de gap largo usado comumente em aplicações eletrônicas e possui várias formas cristalinas (politipos). Na eletrônica de potência, um desafio significativo é o gerenciamento térmico do alto fluxo de calor localizado que pode levar ao superaquecimento dos dispositivos e à degradação do desempenho e da confiabilidade do dispositivo a longo prazo. Materiais com alta condutividade térmica (κ) são críticos no projeto de gerenciamento térmico. Os politipos de SiC de fase hexagonal (6H e 4H) são os mais amplamente utilizados e extensivamente estudados, enquanto o politipo de SiC de fase cúbica (3C) é menos compreendido, apesar de ter o potencial de ter as melhores propriedades eletrônicas e maior κ. Cahill e Zhe explicam que há um enigma de longa data sobre a medida da condutividade térmica do 3C-SiC na literatura: o 3C-SiC é menor que o da fase 6H-SiC estruturalmente mais complexa e mede mais baixo que o teoricamente previsto κ valor. Esta é uma contradição da teoria prevista de que a complexidade estrutural e a condutividade térmica estão inversamente relacionadas (à medida que a complexidade estrutural aumenta, a condutividade térmica deve diminuir).
Zhe diz que o 3C-SiC “não é um material novo, mas o problema que os pesquisadores tiveram antes é a baixa qualidade e pureza do cristal, levando-os a medir condutividade térmica mais baixa do que outras fases do carboneto de silício”. As impurezas de boro contidas nos cristais 3C-SiC causam uma dispersão de fônon ressonante excepcionalmente forte, o que reduz significativamente sua condutividade térmica.
Os cristais de 3C-SiC em escala de bolacha produzidos pela Air Water Inc. foram cultivados por deposição de vapor químico em baixa temperatura e apresentaram alta qualidade e pureza cristalina. A equipe observou alta condutividade térmica dos cristais 3C-SiC de alta pureza e alta qualidade cristalina. Zhe diz que “a condutividade térmica medida de cristais a granel 3C-SiC neste trabalho é ~ 50% maior do que o 6H-SiC estruturalmente mais complexo, consistente com as previsões de que a complexidade estrutural e a condutividade térmica estão inversamente relacionadas. Além disso, o 3C-SiC filmes finos crescidos em substratos de Si têm condutividades térmicas no plano e plano cruzado recordes, ainda maiores do que filmes finos de diamante com espessuras equivalentes.”
A alta condutividade térmica medida neste trabalho classifica o 3C-SiC em segundo lugar para o diamante monocristalino entre os cristais em escala de polegadas, que possui o κ mais alto entre todos os materiais naturais. No entanto, para materiais de gerenciamento térmico, o diamante é limitado por seu alto custo, pequeno tamanho do wafer e dificuldade de integração com outros semicondutores. O 3C-SiC é mais barato que o diamante, pode ser facilmente integrado a outros materiais e pode crescer em tamanhos de wafer grandes, tornando-o um material de gerenciamento térmico adequado ou um excelente material eletrônico com alta condutividade térmica para fabricação escalável. Cahill diz: “A combinação única de propriedades térmicas, elétricas e estruturais do 3C-SiC pode revolucionar a próxima geração de produtos eletrônicos, usando-o como componentes ativos (materiais eletrônicos) ou materiais de gerenciamento térmico”, já que o 3C-SiC tem o maior condutividade entre todos os politipos SiC e ajuda a facilitar o resfriamento do dispositivo e reduzir o consumo de energia. A alta condutividade térmica do 3C-SiC tem potencial para impactar aplicações como eletrônica de potência, eletrônica de radiofrequência e optoeletrônica.
Outros autores do artigo incluem: Jianbo Liang (Professor Associado, Departamento de Física e Eletrônica, Universidade Metropolitana de Osaka), Keisuke Kawamura (Divisão SIC, Air Water Inc.), Hao Zhou (Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Utah), Hidetoshi Asamura (Departamento de Materiais Especiais, Unidade Eletrônica, Air Water Inc.), Hiroki Uratani (Divisão SIC, Air Water Inc.), Janak Tiwari (Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Utah), Samuel Graham (George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Instituto de Tecnologia da Geórgia), Yutaka Ohno (Instituto de Pesquisa de Materiais, Universidade de Tohoku), Yasuyoshi Nagai (Instituto de Pesquisa de Materiais, Universidade de Tohoku), Departamento de Engenharia Mecânica de Tianli Feng, Universidade de Utah) e Naoteru Shigekawa (Professor, Departamento de Física e Eletrônica, Universidade Metropolitana de Osaka).
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