L’arseniuro di boro emerge come un semiconduttore di grande rilevanza grazie alla sua eccezionale conduzione termica, che raggiunge circa 1300 W m–1 K–1. Tale capacità di trasmettere calore è comparabile a quella del silicio e supera quella della maggior parte dei metalli e semiconduttori comunemente utilizzati. Ciò lo rende un candidato promettente per lo sviluppo di componenti elettronici ad alte prestazioni, sfruttando la sua conduttività termica come indicatore della quantità di calore trasferibile lungo un materiale per ogni differenza di temperatura di 1 grado Kelvin.
Struttura chimica e scoperta
Classificato come semiconduttore III-V, l’arseniuro di boro è composto da elementi che appartengono ai gruppi III e V della tavola periodica. Questa terminologia si basa su una classificazione più vecchia, in cui il Gruppo 3 (oggi Gruppo 13) e il Gruppo V sono indicati rispettivamente con queste dizioni.
L’avvio della ricerca sull’arseniuro di boro risale agli anni ’50, quando scienziati dell’Istituto Ioffe iniziarono a studiarne le proprietà fondamentali. Nonostante la sua struttura sia conosciuta dagli anni ’60, i recenti progressi nelle tecniche di sintesi hanno consentito la produzione di campioni di alta qualità, promettendo applicazioni in vari settori, dall’elettronica di potenza fino ai dispositivi optoelettronici.
Caratteristiche fisiche e chimiche
L’arseniuro di boro presenta un reticolo cristallino con una struttura cubica a facce centrate, nota come blenda di zinco, simile a quella di altri semiconduttori come l’arseniuro di gallio. Gli atomi di boro e arsenico formano legami covalenti, con una costante reticolare di 4.78 Å. Possiede inoltre un band gap di 1.82 eV, un indice di rifrazione ottico di 3.29 a temperatura ambiente e alla lunghezza d’onda di 657 nm, oltre a un modulo elastico di 326 GPa, il quale risulta essere doppio rispetto a quello del silicio. La sua temperatura di fusione si attesta sui 2076 °C, consentendo stabilità termica e chimica.
La connotazione di semiconduttore termo-elettricamente stabile si traduce in una conduttività termica che supera di oltre tre volte quella di materiali tradizionali come rame e carburo di silicio. Inoltre, l’arseniuro di boro si distingue per la sua elevata mobilità ambipolare di 1600 cm² V–1 s–1, mostrando un comportamento diverso rispetto ad altri semiconduttori che presentano una mobilità degli elettroni buona ma limitata per le lacune.
Secondo le previsioni, l’arseniuro di boro potrebbe raggiungere una conduzione termica teorica di 2200 W m–1 K–1,un risultato senza precedenti per composti di questo tipo. Tuttavia, per ottenere tali valori estremi, è fondamentale utilizzare materiali di alta qualità, poiché difetti e impurità possono compromettere le capacità termiche.
Sintesi e applicazioni
Il primo esempio di sintesi dell’arseniuro di boro cubico risale al 2015, realizzato da scienziati della University of Houston. L’arseniuro di boro viene preparato attraverso un processo che prevede il contatto tra boro elementare e vapore di arsenico a temperature comprese tra 700 °C e 900 °C. La preparazione avviene utilizzando polveri pure di boro e arsenico, macinate e introdotte in un tubo di quarzo, sottoposto a vuoto per garantire un ambiente controllato.
L’arseniuro di boro offre possibilità promettenti nella gestione termica. La sua capacità di dissipare calore lo rende ideale per applicazioni dove l’efficienza e l’affidabilità dei dispositivi elettronici sono cruciali, come nei computer e nelle automobili. In aggiunta, potrebbe essere impiegato nei chip, fungendo da substrato per condurre elettricità e dissipare calore, affrontando così le sfide dei moderni sistemi elettronici e della miniaturizzazione.
Inoltre, l’arseniuro di boro trova impiego nelle celle solari, nell’elettronica spaziale e nei circuiti resistenti alle radiazioni, dimostrando la sua versatilità e valore nel settore tecnologico avanzato.
