Сверхчистый кремний побил рекорд теплопроводности

Физики при различных температурах измерили способность проводить тепло в образцах кремния трех сортов: сверхчистом кристалле из изотопа Si²⁸, обогащенном и обычном. При оптимальной температуре теплопроводность сверхчистого образца составила рекордные 45 000 Вт/(м·K). Считается, что сверхчистые алмазы теоретически могут показывать еще более высокие значения, но пока что теплопроводность выше 41 000 Вт/(м·K) никому получать не удавалось. Краткое описание результата, полученного сотрудниками Курчатовского института в соавторстве с иностранными коллегами, опубликовано на сайте Physics Today, принадлежащего Американскому институту физики.

Тепловая энергия распространяется в полупроводниковых и изолирующих кристаллах посредством фононов — квантов вибраций решетки. Если массы атомов в узлах решетки различаются, то фононный транспорт становится менее эффективным, что объясняет тот факт, что наивысшие значения теплопроводности зафиксированы у изотопно-чистых образцов, таких как алмаз, состоящий на 99,9% из углерода-12.

В новой работе сотрудника Курчатовского института Александра Инюшкина и его коллег изучается теплопроводность в кремнии. Среди исследованных образцов был 4-миллиметровый кусочек сверхчистого вещества, на 99,995% состоящего из кремния-28. Физики использовали три образца — сверхчистый Si²⁸, обогащенный этим изотопом и состоящий из естественной смеси изотопов. Физики измерили теплопроводность при температурах от 2,4 до 420 кельвинов. Для сверхчистого кремния измеренная величина при 24 кельвинах составила около 45 000 Вт/(м·K), что в 10 раз больше, чем для обычного при таких условиях. При комнатной изотопическая однородность давала прирост всего в 8%.

Данные для обычного кремния несколько отличаются от указанных в справочниках по свойствам материалов. Этот факт может вызвать интерес у теоретиков, занимающихся моделями рассеяния фононов. В целом, благодаря доступности и относительной легкости синтеза кристаллов, кремний остается одним из важнейших веществ в материаловедении, представляя собой подходящую модель для исследования процессов, определяющих теплопроводность.