信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251112011825.htm

休斯顿大学研究团队刚刚改写了材料科学的基本认知，他们发现砷化硼在室温条件下的导热系数达到每米每开尔文2100瓦以上，正式超越了长期占据导热性能王座的钻石。这一突破不仅推翻了十多年来科学界对导热材料性能上限的理论预测，更为下一代电子设备的热管理技术开辟了全新路径。

钻石作为自然界导热性能最优异的材料之一，其导热系数约为每米每开尔文2000瓦，长期以来被视为各向同性材料导热性能的标杆。然而，休斯顿大学德克萨斯超导中心主任任志峰教授领导的研究团队通过精炼的晶体制备技术，成功制造出了导热性能超越钻石的砷化硼晶体，这一成果发表在《今日材料》期刊上，标志着材料导热性能研究领域的重大突破。

任志峰教授在接受采访时表示："我们相信我们的测量结果，我们的数据是正确的，这意味着现有理论需要修正。我并非认为理论是错误的，而是需要调整以与实验数据保持一致。"这一表态不仅体现了科学研究的严谨态度，也暗示着这一发现可能引发材料物理理论的重大修订。

理论预测与实验验证的十年博弈

砷化硼的优异导热性能并非完全出人意料。早在2013年，波士顿学院物理学家戴维·布罗伊多及其同事就通过理论计算预测，砷化硼的导热效率可能达到甚至超越钻石的水平。这一预测在当时引发了材料科学界的广泛关注，被认为可能开启导热材料研究的新纪元。

然而，科学研究的复杂性很快显现出来。2017年，研究人员在理论模型中引入了四声子散射这一复杂因素，将砷化硼的理论导热性能预测值下调至约每米每开尔文1360瓦。这一修订让许多科学家对砷化硼超越钻石的可能性产生了怀疑，相关研究热度也随之降温。

更令人困惑的是，早期的实验结果似乎支持了修订后的理论预测。当时的砷化硼样品导热系数仅约每米每开尔文1300瓦，远低于钻石的性能水平。这种理论与实验的一致性让科学界普遍认为，砷化硼虽然是一种优秀的导热材料，但难以真正挑战钻石的地位。

任志峰团队的独特之处在于，他们并未被现有的理论框架所束缚，而是从材料制备的角度寻找突破口。他们怀疑问题的根源不在于材料的本征性能，而在于样品中的杂质和缺陷。这一洞察为最终的突破奠定了基础。

材料纯度的决定性作用

砷化硼的性能刚刚优于金刚石，改写了热传导和半导体设计的规则。图片来源：Shutterstock

研究团队的成功关键在于对砷化硼晶体制备工艺的革命性改进。通过精炼原始砷材料和开发先进的合成方法，他们成功制造出了缺陷密度显著降低的高纯度砷化硼晶体。这些改进看似简单，实际上涉及复杂的材料化学和晶体生长技术。

高纯度晶体的制备需要严格控制原料纯度、生长环境和工艺参数。任何微小的杂质或结构缺陷都可能成为声子散射的中心，显著降低材料的导热性能。研究团队通过多年的工艺优化，终于制备出了接近理论完美状态的砷化硼晶体。

当这些高纯度样品接受导热性能测试时，结果令人震惊：导热系数超过每米每开尔文2100瓦，不仅远超早期实验结果，更突破了修订理论模型的预测上限。这一发现证实了材料纯度在决定导热性能方面的关键作用，同时也暗示现有的理论模型可能存在不完善之处。

从材料科学的角度来看，这一发现具有重要的方法论意义。它提醒研究人员，在评估材料性能时，必须充分考虑制备工艺对最终性能的影响。许多被认为已经充分研究的材料，可能因为制备技术的限制而未能展现其真正的性能潜力。

半导体产业的颠覆性前景

砷化硼超越钻石导热性能的发现，其意义远远超出了学术研究的范畴。这种材料独特的性能组合——优异的导热性与出色的半导体特性——为解决现代电子设备面临的热管理挑战提供了革命性的解决方案。

现代电子设备，特别是高性能处理器、功率器件和数据中心设备，都面临着严重的散热问题。随着器件功率密度的不断提升，传统的散热技术已经接近物理极限。砷化硼的出现为这一困境提供了新的解决思路。

与钻石相比，砷化硼具有显著的制造优势。钻石的制备需要极高的温度和压力条件，成本昂贵且工艺复杂。而砷化硼可以在相对温和的条件下制备，生产成本更低，更适合大规模工业化应用。

更重要的是，砷化硼同时具备优异的半导体性能。其高载流子迁移率、宽禁带和与硅匹配的热膨胀系数，使其在电子器件应用方面具有独特优势。这种导热与半导体性能的完美结合，在其他材料中极为罕见。

任志峰教授对此评价道："这种新材料太令人惊叹了。它兼具优质半导体的最佳性能和良好导热体的特性——一种材料拥有如此多的优良性能，这在其他半导体材料中从未出现过。"

科学理论的重新审视

这一发现对材料物理理论提出了重要挑战。现有的声子传输理论虽然在大多数情况下能够较好地预测材料的导热性能，但砷化硼的实验结果表明，这些理论模型可能存在不完善之处，特别是在处理高纯度、低缺陷材料时。

四声子散射效应的引入原本是为了更准确地描述声子之间的相互作用，提高理论预测的精度。然而，砷化硼的实验结果表明，这一修正可能过于保守，低估了材料的真实性能潜力。

这种理论与实验的分歧并非简单的数值差异，而是涉及对固体中热传输基本机制的理解。声子作为固体中热传输的主要载体，其行为受到多种因素的影响，包括晶格结构、缺陷密度、同位素效应等。砷化硼的发现可能揭示了某些此前被忽视或低估的物理机制。

研究团队计划继续深入研究，进一步提高砷化硼的性能，同时推动相关理论的发展。这项研究得到了280万美元国家科学基金会项目的支持，由加州大学圣巴巴拉分校的廖柏林教授领导，休斯顿大学、圣母大学和加州大学欧文分校共同参与。

任志峰教授鼓励科学界重新审视现有模型："不应该让理论阻止你发现更伟大的东西，而这正是在这项工作中发生的事情。"这一表态体现了科学研究中理论与实验相互促进的重要性，也预示着材料科学领域可能迎来新一轮的理论创新。