Recordbrekend warmtegeleidingsmateriaal bespaart computerchips

In samenwerking met groepen uit China en de Verenigde Staten ging een onderzoeksteam van de TU Wien op zoek naar de optimale warmtegeleider. Ze vonden eindelijk wat ze zochten in een zeer specifieke vorm van tantaalnitride - geen enkel ander bekend metallisch materiaal heeft een hogere thermische geleidbaarheid. Om dit recordbrekende materiaal te kunnen identificeren, moesten ze eerst analyseren welke processen een rol spelen bij de warmtegeleiding in dergelijke materialen op atomair niveau.

"Kortom, er zijn twee mechanismen waarmee warmte zich in een materiaal voortplant", legt professor Georg Madsen van het Institute of Materials Chemistry van de TU Wien uit. "Ten eerste door de elektronen die door het materiaal reizen en energie met zich meebrengen. Dit is het belangrijkste mechanisme in goede elektrische geleiders. En ten tweede door de fononen, die collectieve roostertrillingen in het materiaal zijn." De atomen bewegen, waardoor andere atomen gaan wiebelen. Bij hogere temperaturen is warmtegeleiding door voortplanting van deze trillingen meestal het beslissende effect.

Maar noch de elektronen, noch de roostertrillingen kunnen zich volledig ongehinderd door het materiaal voortplanten. Er zijn verschillende processen die deze verspreiding van thermische energie vertragen. Elektronen en roostertrillingen kunnen met elkaar interageren, ze kunnen verstrooien, ze kunnen worden tegengehouden door onregelmatigheden in het materiaal. In sommige gevallen kan de warmtegeleiding zelfs drastisch worden beperkt door het feit dat verschillende isotopen van een element in het materiaal zijn ingebouwd. In dat geval hebben de atomen niet precies dezelfde massa en dit beïnvloedt het collectieve trillingsgedrag van de atomen.

"Sommige van deze effecten kunnen worden onderdrukt, maar meestal niet allemaal tegelijk", zegt Madsen. "Het is alsof je Whack-A-Mole speelt:je lost het ene probleem op en tegelijkertijd ontstaat er ergens anders een nieuw."

Metalen hebben doorgaans een middelmatige thermische geleidbaarheid. Het metaal met de hoogste bekende thermische geleidbaarheid is zilver - met slechts een fractie van de geleidbaarheid van het recordhoudende materiaal:diamant. Maar diamanten zijn duur en erg moeilijk te verwerken.

Met uitgebreide theoretische analyses en computersimulaties slaagde het team er uiteindelijk in om een ​​geschikt materiaal te identificeren:de hexagonale θ-fase van tantaalnitride. Tantaal is bijzonder gunstig omdat het nauwelijks verschillende isotopen heeft. Bijna 99,99% van het natuurlijk voorkomende tantaal is de isotoop tantaal 181; andere varianten komen nauwelijks voor.

"De combinatie met stikstof en de speciale geometrie op atomaire schaal maakt de fase metaalachtig en onderdrukt interacties van de warmtedragende trillingen met andere trillingen en met de geleidende elektronen. Het zijn precies die interacties die de warmtegeleiding in andere materialen remmen," zei Madsen. "Deze interacties zijn niet mogelijk in dit materiaal omdat ze de wet van energiebesparing zouden schenden."

Daarom combineert deze vorm van tantaalnitride verschillende belangrijke voordelen, waardoor het een recordbrekend materiaal is met een thermische geleidbaarheid die meerdere keren hoger is dan die van zilver en vergelijkbaar met diamant. Volgens Madsen is tantaalnitride een veelbelovend materiaal voor de chipindustrie. "Chips worden kleiner en krachtiger, dus het geleiden van warmte wordt een steeds groter probleem. Geen enkel ander materiaal lost dit probleem beter op dan de θ-fase tantaalnitride," zei hij.