Arséniure de bore

L'arséniure de bore est un composé chimique de formule BAs. Il s'agit d'un solide semi-conducteur de type III-V cristallisant dans le système réticulaire cubique (structure blende) avec un paramètre cristallin de 477,7 pm et une bande interdite à gap indirect large d'environ 1,5 eV[3]. Sa conductivité thermique est exceptionnellement élevée (plus de 900 W m−1 K−1 à température ordinaire), à condition qu'il soit très pur.

Arséniure de bore
__ B     __ As
Identification
No CAS 12005-69-5[réf. nécessaire]
Apparence solide brun[1]
Propriétés chimiques
Formule AsBBAs
Masse molaire[2] 85,733 ± 0,007 g/mol
As 87,39 %, B 12,61 %,
Propriétés physiques
T° fusion 1 100 °C[1]
Masse volumique 5,22 g·cm-3[1]
Propriétés électroniques
Bande interdite 1,5 eV[3]
Cristallographie
Paramètres de maille 477,7 pm[3]
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Préparation et propriétés chimiques

L'arséniure de bore peut être obtenu par réaction directe de bore et d'arsenic à 1 200 °C sous forte pression[4].

L'arséniure de bore cubique BAs se décompose en subarséniure de bore B12As2 à une température supérieure à 920 °C[5].

Propriétés physiques

Conductivité électrique

Lui-même semi-conducteur de type III-V, l'arséniure de bore peut être allié à de l'arséniure de gallium GaAs pour produire des semi-conducteurs ternaires et quaternaires[6].

Conductivité thermique

La conductivité thermique des semi-conducteurs et des isolants non magnétiques est contrôlée par la dispersion des phonons (en), et pour l'essentiel par les interactions à trois phonons[7]. Dans les années 1970 on a pensé que seules les substances constituées d'éléments légers fortement liés pourraient avoir une conductivité thermique très élevée[8]. En 2013 des calculs théoriques ont montré qu'un composé associant un élément léger et un élément lourd, comme l'arséniure de bore, pouvait avoir, à température ordinaire ou élevée, une conductivité thermique de l'ordre de 2 000 W m−1 K−1 (donc proche de celles du diamant et du graphite)[9],[10], estimation ramenée ensuite à 1 400 W m−1 K−1 en tenant compte des interactions à quatre phonons[11].

La synthèse de cristaux suffisamment gros et pauvres en défauts d'arséniure de bore suffisamment pur est difficile, aussi les premières mesures de conductivité thermique n'ont-elles donné que des valeurs de l'ordre de 200[12] à 350[13] W m−1 K−1. En 2018 on a obtenu à température ordinaire 800 et 900 W m−1 K−1 pour deux cristaux entiers, et plus de 1 000 W m−1 K−1 pour quelques zones particulièrement pauvres en défauts cristallins[14].

Utilisations

L'arséniure de bore a été proposé pour le développement de cellules photovoltaïques[6],[15], mais n'est pas encore utilisé en pratique pour ce type d'application.

Notes et références
  1. (en) Dale L. Perry, Handbook of Inorganic Compounds, Taylor & Francis US, 2011, 2e édition, p. 73, (ISBN 1-4398-1462-7).
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. (en) Gus L. W. Hart et Alex Zunger, « Electronic structure of BAs and boride III-V alloys », Physical Review B (Condensed Matter and Materials Physics), vol. 62, no 20,‎ , p. 13522-13537 (DOI 10.1103/PhysRevB.62.13522, Bibcode 2000PhRvB..6213522H, arXiv 0009063, lire en ligne)
  4. (en) Jiro Osugi, Kiyoshi Shimizu, Yoshiyuki Tanaka et Kosaku Kadono, « Preparation and chemical properties of cubic boron arsenide, BAs », The Review of Physical Chemistry of Japan, vol. 36, no 1,‎ , p. 54-57 (lire en ligne)
  5. (en) T. L. Chu et A. E. Hyslop, « Preparation and Properties of Boron Arsenide Films », Journal of the Electrochemical Society, vol. 121, no 3,‎ , p. 412-415 (DOI 10.1149/1.2401826, lire en ligne)
  6. (en) J. F. Geisz, D. J. Friedman, J. M. Olson, Sarah R. Kurtz et al., « BGaInAs alloys lattice matched to GaAs », Applied Physics Letters, vol. 76, no 11,‎ mars 2000, article no 1443 (DOI 10.1063/1.126058, Bibcode 2000ApPhL..76.1443G).
  7. (en) J. M. Ziman, Electrons and Phonons : The Theory of Transport Phenomena in Solids, Oxford University Press, .
  8. (en) G. A. Slack, « Nonmetallic crystals with high thermal conductivity », Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 34, no 2,‎ , p. 321-335 (DOI 10.1016/0022-3697(73)90092-9).
  9. (en) L. Lindsay, D. A. Broido et T. L. Reinecke, « First-Principles Determination of Ultrahigh Thermal Conductivity of Boron Arsenide : A Competitor for Diamond? », Physical Review Letters, vol. 111,‎ , article no 025901 (DOI 10.1103/PhysRevLett.111.025901).
  10. (en) D. A. Broido, L. Lindsay et T. L. Reinecke, « Ab initio study of the unusual thermal transport properties of boron arsenide and related materials », Physical Review B, vol. 88,‎ , article no 214303 (DOI 10.1103/PhysRevB.88.214303).
  11. (en) Tianli Feng, Lucas Lindsay et Xiulin Ruan, « Four-phonon scattering significantly reduces intrinsic thermal conductivity of solids », Physical Review B, vol. 96,‎ , article no 161201(R) (DOI 10.1103/PhysRevB.96.161201).
  12. (en) Bing Lv, Yucheng Lan, Xiqu Wang, Qian Zhang, Yongjie Hu et al., « Experimental study of the proposed super-thermal-conductor: BAs », Applied Physics Letters, vol. 106,‎ , article no 074105 (DOI 10.1063/1.4913441).
  13. (en) Fei Tian, Bai Song, Bing Lv, Jingying Sun, Shuyuan Huyan et al., « Seeded growth of boron arsenide single crystals with high thermal conductivity », Applied Physics Letters, vol. 112,‎ , article no 031903 (DOI 10.1063/1.5004200).
  14. (en) Fei Tian, Bai Song, Xi Chen, Navaneetha K. Ravichandran, Yinchuan Lv et al., « Unusual high thermal conductivity in boron arsenide bulk crystals », Science, vol. 361, no 6402,‎ , p. 582-585 (DOI 10.1126/science.aat7932).
  15. (en) J. L. Boone et T. P. Vandoren, « Boron arsenide thin film solar cell development », Final Report Eagle-Picher Industries, Inc., Miami, OK. Specialty Materials Div.,‎ (Bibcode 1980STIN...8114445B)
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