Рекорд теплопроводности нитрида тантала

31 марта 2021 г.

Венского технологического университета

Задача термоса — сохранять температуру, но иногда хочется добиться обратного: компьютерные чипы генерируют тепло, которое необходимо рассеять как можно быстрее, чтобы чип не разрушился. Для этого требуются специальные материалы с особенно хорошими свойствами теплопроводности.

Поэтому исследовательская группа из Венского технического университета в сотрудничестве с группами из Китая и США приступила к поиску оптимального проводника тепла. 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 пришлось проанализировать, какие процессы играют роль в теплопроводности в таких материалах на атомном уровне. Результаты теперь опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.

«По сути, существует два механизма распространения тепла в материале», — объясняет профессор Георг Мадсен из Института химии материалов Венского технического университета. «Во-первых, через электроны, которые путешествуют через материал, 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 решающее значение обычно имеет теплопроводность за счет распространения этих вибраций.

Но ни электроны, ни колебания решетки не могут совершенно беспрепятственно распространяться через материал. Существуют различные процессы, которые замедляют это распространение тепловой энергии. Электроны и колебания решетки могут взаимодействовать друг с другом, могут рассеиваться, их могут останавливать неровности материала.

В некоторых случаях теплопроводность может даже резко ограничиваться тем фактом, что в материал встроены разные изотопы элемента, то есть одинаковые атомы с разным числом нейтронов. В этом случае атомы не имеют одинаковой массы, и это влияет на коллективное колебательное поведение атомов в материале.

«Некоторые из этих эффектов можно подавить, но обычно не все одновременно», — говорит Георг Мэдсен. «Это похоже на игру «Ударь крота»: ты решаешь одну проблему, и в то же время где-то в другом месте возникает новая».

Несмотря на то, что мы каждый день обжигаем руки о раскаленную металлическую пластину, металлы обычно обладают посредственной теплопроводностью. Металлом с самой высокой известной теплопроводностью является серебро, проводимость которого составляет лишь долю от рекордсмена алмаза. Но алмазы дороги и их очень трудно обрабатывать.

Благодаря тщательному теоретическому анализу и компьютерному моделированию команде наконец удалось определить подходящий материал: гексагональную θ-фазу нитрида тантала. Тантал особенно предпочтителен, поскольку в нем почти нет различных изотопов. Почти 99,99% встречающегося в природе тантала представляет собой изотоп тантал 181, другие варианты практически не встречаются.

«Сочетание с азотом и особая геометрия атомного масштаба делают фазу металлической и подавляют взаимодействия теплонесущих колебаний с другими вибрациями и с проводящими электронами. Именно эти взаимодействия подавляют теплопроводность в других материалах», — говорит Георг. Мэдсен. «Эти взаимодействия невозможны в этом материале, потому что они нарушают закон сохранения энергии».

Таким образом, эта форма нитрида тантала сочетает в себе несколько важных преимуществ, что делает ее рекордным материалом с теплопроводностью в несколько раз выше, чем у серебра и сравнимой с алмазом.

«Для производства микросхем нитрид тантала — весьма перспективный материал», — убежден Мэдсен. «Чипы становятся все меньше и мощнее, поэтому проведение тепла становится все более серьезной проблемой. Ни один другой материал не решает эту проблему лучше, чем нитрид тантала с θ-фазой».