Рекорд теплопроводности с нитридом тантала
Нитрид тантала может проводить тепло быстрее, чем почти все другие материалы.
Для отвода тепла, например, от компьютерных микросхем, необходимы материалы, которые очень хорошо проводят тепло. В TU Wien (Венском технологическом университете) было обнаружено соединение металла, которое особенно хорошо подходит для этой цели.
Компьютерные микросхемы выделяют тепло, которое необходимо отводить как можно быстрее, чтобы микросхема не потеряла работоспособность. Для этого требуются специальные материалы с особенно хорошими свойствами теплопроводности.
Поэтому в сотрудничестве с группами из Китая и США исследовательская группа из TU Wien решила найти оптимальный проводник тепла. Наконец они нашли то, что искали, в очень специфической форме нитрида тантала - ни один другой известный металлический материал не имеет более высокой теплопроводности. Чтобы идентифицировать этот рекордный материал, они сначала должны были проанализировать, какие процессы играют роль в теплопроводности таких материалов на атомарном уровне. Результаты опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.
Электроны и колебания решетки
«По сути, существует два механизма распространения тепла в материале», - объясняет профессор Георг Мадсен из Института химии материалов в Венском техническом университете. «Во-первых, через электроны, которые проходят 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 решающим эффектом обычно является теплопроводность за счет распространения этих колебаний.
Но ни электроны, ни колебания решетки не могут беспрепятственно распространяться через материал. Существуют различные процессы, замедляющие распространение тепловой энергии. Электроны и колебания решетки могут взаимодействовать друг с другом, они могут рассеиваться, их могут остановить неровности в материале.
В некоторых случаях теплопроводность может быть даже резко ограничена из-за того, что в материал встроены разные изотопы элемента, то есть похожие атомы с разным числом нейтронов. В этом случае атомы не имеют точно 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 Мадсен. «Это похоже на игру в Whack-A-Mole: вы решаете одну проблему, и в то же время новая возникает где-то в другом месте».
Нитрид тантала, универсал
Несмотря на то, что мы каждый день обжигаем руки о раскаленную металлическую пластину, металлы обычно имеют посредственную теплопроводность. Металлом с наивысшей известной теплопроводностью является серебро - с лишь долей проводимости алмазного материала-рекордсмена. Но бриллианты дорогие, и их очень сложно обрабатывать.
С помощью тщательного теоретического анализа и компьютерного моделирования команде наконец удалось определить подходящий материал: гексагональную θ-фазу нитрида тантала. Тантал особенно хорош, потому что практически нет разных изотопов. Почти 99,99% встречающегося в природе тантала составляет изотоп тантала 181, другие варианты практически не встречаются.
«Комбинация с азотом и особая геометрия атомного масштаба делают фазу металлической, и она подавляет взаимодействие теплопроводных колебаний с другими вибрациями и с проводящими электронами. Это именно те взаимодействия, которые препятствуют теплопроводности в других материалах», - говорит Георг. 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 рекордным материалом с теплопроводностью в несколько раз выше, чем у серебра, и сравнимой с алмазом.
«Для производства микросхем нитрид тантала - очень многообещающий материал», - убежден Мэдсен. «Чипы становятся меньше и мощнее, поэтому теплопроводность становится все более серьезной проблемой. Никакой другой материал не решает эту проблему лучше, чем θ-фазный нитрид тантала».
Источник:
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/waermeleitungs-rekord-mit-tantalnitrid