创纪录热导体发现：氮化钽或将革新芯片散热
维也纳工业大学（TU Wien）研究团队与中国、美国团队合作，致力寻找最佳热导体。最终在一种特定形式的氮化钽中找到答案——无其他已知金属材料热导率更高。为识破这破纪录材料，他们首先分析此类材料原子层面热传导起作用的过程。
“基本上，热在材料中传播有两机制。”TU Wien 材料化学研究所 Georg Madsen 教授解释。“一是电子穿过材料带走能量。这是良导电体的主要机制。二是声子，即材料中的集体晶格振动。原子运动带动其他原子晃动。高温下，这些振动传播的热传导通常是决定性效应。”
但电子和晶格振动都无法完全无阻传播。各种过程减缓热能传播。电子和晶格振动可相互作用、散射、被材料缺陷阻挡。某些情况下，因不同同位素掺入材料，热传导甚至大幅受限。此时原子质量不完全相同，影响原子集体振动行为。
“这些效应有些可抑制——但通常不能同时全部抑制。”Madsen 说。“像打地鼠：解决一个问题，另一个同时在别处冒出来。”
金属典型热导率平庸。已知热导率最高金属是银——仅为纪录保持者金刚石的一小部分。但金刚石昂贵且难加工。
通过精密理论分析和计算机模拟，团队最终识别出合适材料：氮化钽的六方 θ 相。钽特别有利，因其几乎无不同同位素。天然钽 99.99% 是钽-181 同位素，其他变体极少。
“与氮结合及特殊原子尺度几何使该相呈金属性，并抑制了携带热的振动与其他振动及导电子的相互作用。正是这些相互作用抑制了其他材料的热传导。”Madsen 说。“这些相互作用在该材料中不可能发生，因会违反能量守恒定律。”
因此，这种氮化钽结合多项重要优势，成为破纪录材料，热导率是银的数倍，可比拟金刚石。据 Madsen 说，氮化钽是芯片工业极有前景的材料。“芯片越来越小、功能越来越强，导热问题日益突出。没有其他材料比 θ 相氮化钽更好地解决这个问题。”
传感器