Материал с рекордной теплопроводностью позволит сэкономить компьютерные чипы

В сотрудничестве с группами из Китая и США исследовательская группа Венского технического университета решила найти оптимальный теплопроводник. Наконец они нашли то, что искали, в очень специфической форме нитрида тантала — ни один другой известный металлический материал не обладает более высокой теплопроводностью. Чтобы иметь возможность идентифицировать этот рекордный материал, им сначала нужно было проанализировать, какие процессы играют роль в теплопроводности в таких материалах на атомном уровне.

«В принципе, есть два механизма, посредством которых тепло распространяется в материале», — объяснил профессор Георг Мэдсен из Института химии материалов Технического университета Вены. «Во-первых, через электроны, которые путешествуют по материалу, забирая с собой энергию. Это основной механизм в хороших электрических проводниках. И, во-вторых, через фононы, которые представляют собой коллективные колебания решетки в материале». Атомы движутся, заставляя другие атомы колебаться. При более высоких температурах теплопроводность за счет распространения этих колебаний обычно является решающим эффектом.

Но ни электроны, ни колебания решетки не могут совершенно беспрепятственно распространяться по материалу. Существуют различные процессы, которые замедляют это распространение тепловой энергии. Электроны и колебания решетки могут взаимодействовать друг с другом, они могут рассеиваться, их можно остановить неровностями материала. В некоторых случаях теплопроводность может даже резко ограничиваться тем фактом, что в материал встроены разные изотопы элемента. В этом случае атомы не имеют абсолютно одинаковой массы, и это влияет на коллективное колебательное поведение атомов.

«Некоторые из этих эффектов можно подавить, но обычно не все одновременно», — сказал Мэдсен. "Это как играть в Whack-A-Mole:ты решаешь одну проблему, и в то же время где-то в другом месте возникает новая."

Металлы обычно имеют посредственную теплопроводность. Металл с самой высокой известной теплопроводностью — серебро — с лишь частью проводимости материала-рекордсмена:алмаза. Но алмазы дороги и очень сложны в обработке.

С помощью тщательного теоретического анализа и компьютерного моделирования команде наконец удалось определить подходящий материал:гексагональную θ-фазу нитрида тантала. Тантал особенно благоприятен, потому что он почти не имеет различных изотопов. Почти 99,99% встречающегося в природе тантала представляет собой изотоп тантала 181; другие варианты почти не встречаются.

«Сочетание с азотом и особая геометрия атомного масштаба делают фазу металлической, и она подавляет взаимодействия теплонесущих колебаний с другими колебаниями и с проводящими электронами. Именно такие взаимодействия тормозят теплопроводность в других материалах», — сказал он. Мэдсен. «Эти взаимодействия невозможны в этом материале, потому что они нарушили бы закон сохранения энергии».

Таким образом, эта форма нитрида тантала сочетает в себе несколько важных преимуществ, что делает его материалом-рекордсменом с теплопроводностью, в несколько раз превышающей серебро и сравнимой с алмазом. По словам Мэдсена, нитрид тантала является многообещающим материалом для производства микросхем. «Чипы становятся все меньше и мощнее, поэтому проблема теплопроводности становится все более серьезной. Никакой другой материал не решает эту проблему лучше, чем нитрид тантала в θ-фазе», — сказал он.