创纪录的导热材料将节省计算机芯片
TU Wien 的一个研究团队与来自中国和美国的团队合作，着手寻找最佳的导热体。他们终于在一种非常特殊的氮化钽中找到了他们正在寻找的东西——没有其他已知的金属材料具有更高的导热性。为了能够识别这种破纪录的材料，他们首先必须在原子水平上分析哪些过程在这种材料的热传导中起作用。
“基本上，热量在材料中传播的机制有两种，”TU Wien 材料化学研究所的 Georg Madsen 教授解释说。 “首先，通过穿过材料的电子，带走能量。这是良好电导体的主要机制。其次，通过声子，这是材料中的集体晶格振动。”原子移动，导致其他原子摆动。在较高温度下，通过这些振动传播的热传导通常是决定性的效果。
但是电子和晶格振动都不能完全不受阻碍地通过材料传播。有多种过程可以减缓这种热能的传播。电子和晶格振动可以相互作用，它们可以散射，它们可以被材料中的不规则性阻止。在某些情况下，热传导甚至会因材料中内置元素的不同同位素而受到极大限制。在这种情况下，原子的质量并不完全相同，这会影响原子的集体振动行为。
“其中一些影响可以被抑制——但通常不能同时抑制，”马德森说。 “这就像玩打地鼠游戏：你解决了一个问题，同时另一个地方又出现了一个新问题。”
金属通常具有中等的热导率。已知导热率最高的金属是银——其导热率只有保持记录的材料金刚石的一小部分。但是钻石很贵，而且很难加工。
通过精心的理论分析和计算机模拟，该团队最终成功地确定了一种合适的材料：氮化钽的六方 θ 相。钽特别有利，因为它几乎没有任何不同的同位素。几乎 99.99% 的天然钽是同位素钽 181；其他变种几乎没有发生。
“与氮的结合和特殊的原子尺度几何形状使相金属化，它抑制了载热振动与其他振动和导电电子的相互作用。正是这些相互作用抑制了其他材料的热传导，”说马德森。 “这些相互作用在这种材料中是不可能的，因为它们会违反能量守恒定律。”
因此，这种形式的氮化钽结合了几个重要的优点，使其成为热导率比银高几倍、可与钻石媲美的创纪录材料。据 Madsen 介绍，氮化钽是芯片行业非常有前景的材料。 “芯片越来越小，功能越来越强大，所以导热问题也越来越大。没有其他材料比 θ 相氮化钽更能解决这个问题，”他说。
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