来源 | Materials Today

链接 | https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.09.021

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背景介绍

在过去的十年中，砷化硼（一种合成材料）被理论上可以与金刚石的导热性相媲美或超越，即有效地将热量从产品中带走的能力。2013年之前关于砷化硼（BAs）的研究寥寥无几。然而，自2013年有研究在假设仅有三声子散射占主导地位的情况下，预测BAs在室温下的热导率可达2200 W/m·K以来，砷化硼单晶的生长研究开始受到广泛关注。早期制备的BAs晶体存在大量缺陷，其热导率仅为200至400 W/m·K。后续理论研究指出，四声子散射效应会将室温下BAs的理论热导率从2200 W/m·K显著降低至1400 W/m·K左右。这一预测在2018年获得实验验证，实测室温热导率达到1000-1300 W/m·K。此后研究重点转向生长大尺寸BAs晶体，以开发利用其高导热特性的广泛应用场景。

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成果掠影

近日，休斯顿大学的任志峰教授、 Ying Peng和美国加州大学廖柏霖团队通过提纯砷源以降低 Si、C、O 等杂质浓度，结合优化的四步合成法制备砷化硼（BAs）单晶，利用时域热反射（TDTR）法测得其室温热导率突破 2100 W/m・K，比肩高纯度合成金刚石；实验发现热导率在 290-400 K 范围内符合T-1.8的温度依赖关系，提示四声子散射作用显著，且拉曼光谱映射证实低杂质区域与高热导率区域完全重合；现有第一性原理声子输运理论无法解释该结果，仅通过人为抑制 4-8 THz 声子的三声子散射可拟合实验数据，此成果不仅突破 BAs 热导率的既往基准，更推动其在高功率电子热管理中的应用及高导热材料的理论创新。研究成果“Thermal conductivity of boron arsenide above 2100 W per meter per Kelvin at room temperature”为题发表在《Materials Today》。

为什么重要？

这一发现使 BA 成为电子和热管理领域的潜在游戏规则改变者。它不仅在热传导方面超越了金刚石，而且作为半导体的性能也优于硅（当前的行业标准）。

砷化硼的主要优点包括：

它比钻石更容易制造、更便宜，无需极端温度和压力。

它不仅是一种特殊的导热体，也是一种有效的半导体。

由于其高导热性、更宽的禁带、电子和空穴中更高的载流子迁移率以及匹配良好的热膨胀系数等特性，它具有比硅更好的半导体性能的潜力。

它具有优质半导体的最佳性能和良好的热导体——一种材料具有各种良好的性能。这在其他半导体材料中从未发生。这项研究是由 UH 全球公认的德克萨斯超导中心（由任任领导）与加州大学圣巴巴拉分校和波士顿学院的研究人员之间的合作。

休斯顿大学德克萨斯超导中心任志峰教授任志峰及其研究团队将砷化硼晶体安装到频域热反射（FDTR）系统上，以测量热导率。

尽管取得了突破，但工作还远未结束。德克萨斯超导中心的研究人员将继续改进他们的材料，他们希望这将推动 BA 的导热系数更高。

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图文导读

图1.砷化硼（BAs）的结构特征。a，高质量BAs在透射光下的光学图像，b，高质量BAs在反射光下的光学图像。c，低质量BAs在透射光下的光学图像。d，BAs晶体的2θ XRD图案。e，高质量BAs的单晶X射线衍射图案。f，低质量BAs的单晶X射线衍射图案。 

图2.利用时域热反射法（TDTR）测量热导率。a.不同泵浦调制频率下测量的TDTR相位信号（5 MHz和10 MHz）和泵浦光束直径（70μ m，35μ m，和19μ m），实线示出了使用热传输模型的拟合曲线，其中对应的拟合热导率被标记为虚线提供当热导率从拟合值改变± 10%时拟合模型的边界。b，在290 K至400 K的温度范围内，金刚石和BAs单晶中测得的热导率的温度依赖性。实心蓝色和红色曲线表示1/Tα拟合，金刚石的α = 1.14，BAs的α = 1.81，“3-ph”：仅具有三声子散射的BA中的热导率的第一原理计算。“3-ph + 4-ph”：具有三声子和四声子散射的BA中的热导率的第一原理计算。“抑制的3-ph + 4-ph”：对于4-8 THz范围内的声子具有抑制的三声子散射的修改的计算

图3.杂质分布的拉曼图谱。（a）从BA样品的高热导率和低热导率区域获得的典型拉曼光谱。插图显示了700 /cm附近强峰的详细视图，其中可以看到高导热率区域和低导热率区域之间的明显差异。（b）半峰全宽（FWHM）的空间映射最强的拉曼峰在~ 700/cm处，其对应于带中心处的BA的纵向光学（LO）模式。孪晶边界被突出显示。（c）从1050到1150/cm的积分拉曼强度的空间映射，其主要由电子拉曼散射引起。为了校正由表面粗糙度、聚焦条件和激发/收集效率引起的变化，将1050-1150/cm范围内的积分拉曼强度归一化为~ 700/cm LO声子模的积分面积.

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作者信息

任志峰，休斯顿大学教授，研究方向:高性能热电材料：通过纳米结构调控降低热导率并提升热电性能，实现工业废热发电；催化水分解：合成并测试高效析氢/析氧反应催化剂；强化采油用纳米片：面向油田增产的高性能纳米片材料合成与表征；热管理材料：高效冷却材料、储热技术、高导热材料开发；超导特性：新型超导材料合成与性能表征；太阳能转换：基于热电效应的光热-光电协同发电技术；柔性透明电极：柔性透明电极的制备机理与应用研究；碳纳米管与复合材料：基于高分辨率透射电镜的碳纳米管及其他纳米线变形机理与力学性能研究。

廖柏霖，美国加州大学副教授，主要研究兴趣是纳米级能量传输及其在可持续能源技术中的应用。具体来说，他的研究旨在了解基本能量载体（如电子、声子、光子和磁子）在最小长度和时间尺度上的传输和相互作用过程，然后利用这些知识开发更高效的清洁能源设备，例如热电模块和光伏电池。目前的项目包括能量载流子传输的第一性原理和多尺度模拟、使用扫描超快电子显微镜在空间和时间上可视化光物理、用于热和热电表征的超快光学技术以及应用清洁能源设备和系统。