Recordbrekende Warmteleider Gevonden: Tantalum Nitride Kan Chipkoeling Revolutieoniseren

Hexagonale θ-fase Tantalum Nitride Heeft Hogere Thermische Geleiding dan Zilver, Vergelijkbaar met Diamant

In samenwerking met groepen uit China en de Verenigde Staten, zocht een onderzoeks team van TU Wien naar de optimale warmteleider. Ze vonden wat ze zochten in een heel specifieke vorm van tantalum nitriet – geen ander bekend metalen materiaal heeft een hogere thermische geleiding. Om dit recordbrekende materiaal te identificeren, moesten ze eerst analyseren welke processen een rol spelen in warmteleiding in dergelijke materialen op atomaire niveau.

"Eigenlijk zijn er twee mechanismen waarmee warmte in een materiaal voortplant," legde Professor Georg Madsen van het Instituut voor Materialenchemie aan TU Wien uit. "Eerst, door de elektronen die door het materiaal reizen, energie mee nemend. Dit is het hoofdmechanisme in goede elektrische geleiders. En tweedens door de fononen, die collectieve roostertrillingen in het materiaal zijn." De atomen bewegen, waardoor andere atomen gaan wiebelen. Bij hogere temperaturen is warmteleiding door voortplanting van deze trillingen meestal het beslissende effect.

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

"Sommige van deze effecten kunnen onderdrukt worden – maar meestal niet alle tegelijk," zei Madsen. "Het is als Whack-A-Mole spelen: je lost één probleem op, en tegelijkertijd ontstaat er ergens anders een nieuw probleem."

Metalen hebben doorgaans een middelmattige thermische geleiding. Het metaal met de hoogste bekende thermische geleiding is zilver – met slechts een fractie van de geleiding van de recordhoudende materiaal: diamant. Maar diamanten zijn duur en moeilijk te verwerken.

Met uitgebreide theoretische analyses en computersimulaties slaagde het team er uiteindelijk in een geschikt materiaal te identificeren: De hexagonale θ-fase van tantalum nitriet. Tantalum is bijzonder gunstig omdat het nauwelijks verschillende isotopen heeft. Bijna 99,99% van het natuurlijk voorkomende tantalum is het isotop tantalum-181; andere varianten komen nauwelijks voor.

"De combinatie met stikstof en de speciale atomaire schaalgeometrie maken de fase metalisch, en het onderdrukt interacties van de warmte-dragende trillingen met andere trillingen en met de geleidende elektronen. Het is precies die interacties die warmteleiding in andere materialen remmen," zei Madsen. "Deze interacties zijn in dit materiaal niet mogelijk omdat ze de wet van energiebehoud zouden schenden."

Daarom combineert deze vorm van tantalum nitriet verschillende belangrijke voordelen, wat het een recordbrekend materiaal maakt met een thermische geleiding diverse malen hoger dan zilver en vergelijkbaar met diamant. Volgens Madsen is tantalum nitriet een hoogst veelbelovend materiaal voor de chipindustrie. "Chips worden kleiner en krachtiger, dus warmteleiding wordt een steeds groter probleem. Geen ander materiaal lost dit probleem beter op dan de θ-fase tantalum nitriet," zei hij.