Рекордсмен по теплопроводности найден: нитрид тантала может революционизировать охлаждение чипов

В сотрудничестве с группами из Китая и США, исследовательская команда из TU Wien выступила на поиск оптимального теплопроводника. Они наконец нашли то, что искали, в очень конкретной форме нитрида тантала — никакой другой известный металлический материал не имеет более высокой теплопроводности. Чтобы иметь возможность идентифицировать этот рекордсмен-материал, им сначала пришлось проанализировать, какие процессы играют роль в теплопроводности в таких материалах на атомном уровне.

«В основном есть два механизма, которыми тепло распространяется в материале», — объяснил профессор Георг Мадсен из Института химии материалов TU Wien. «Первый — через электроны, которые движутся через материал, забирая энергию с собой. Это основной механизм в хороших электрических проводниках. И второй — через фононы, которые являются коллективными решетковыми вибрациями в материале». Атомы движутся, вызывая дрожание других атомов. При более высоких температурах теплопроводность через распространение этих вибраций обычно является решающим эффектом.

Но ни электроны, ни решетковые вибрации не могут распространяться полностью беспрепятственно через материал. Существуют различные процессы, которые замедляют это распространение тепловой энергии. Электроны и решетковые вибрации могут взаимодействовать друг с другом, они могут рассеиваться, их могут останавливать нерегулярности в материале. В некоторых случаях теплопроводность может даже драматически ограничиваться тем фактом, что разные изотопы элемента встроены в материал. В этом случае атомы не имеют точно одинаковой массы, и это влияет на коллективное вибрационное поведение атомов.

«Некоторые из этих эффектов могут быть подавлены — но обычно не все одновременно», — сказал Мадсен. «Это как игра в Whack-A-Mole: вы решаете одну проблему, и в то же время где-то еще возникает новая».

Металлы обычно имеют посредственную теплопроводность. Металл с наивысшей известной теплопроводностью — серебро — с лишь долей теплопроводности рекордсмена-материала: алмаза. Но алмазы дорогие и очень трудны в обработке.

С изощренными теоретическими анализами и компьютерными симуляциями команда наконец преуспела в идентификации подходящего материала: Гексагональная θ-фаза нитрида тантала. Тантал особенно благоприятен, потому что у него почти нет разных изотопов. Почти 99,99% естественного тантала — это изотоп тантал-181; другие варианты практически не встречаются.

«Комбинация с азотом и специальная атомная геометрия делают фазу металлической, и она подавляет взаимодействия теплоносящих вибраций с другими вибрациями и с проводящими электронами. Именно эти взаимодействия ингибируют теплопроводность в других материалах», — сказал Мадсен. «Эти взаимодействия невозможны в этом материале, потому что они нарушили бы закон сохранения энергии».

Поэтому эта форма нитрида тантала комбинирует несколько важных преимуществ, делая ее рекордсмен-материалом с теплопроводностью в несколько раз выше серебра и сопоставимой с алмазом. Согласно Мадсену, нитрид тантала — высоко перспективный материал для чип-индустрии. «Чипы становятся меньше и мощнее, так что отведение тепла становится все большей и большей проблемой. Никакой другой материал не решает эту проблему лучше, чем θ-фаза нитрида тантала», — сказал он.