記録破りの熱伝導材料はコンピュータチップを節約します
中国と米国のグループと協力して、TUWienの研究チームが最適な熱伝導体を見つけるために着手しました。彼らはついに、非常に特殊な形の窒化タンタルで探していたものを見つけました。これほど高い熱伝導率を持つ既知の金属材料は他にありません。この記録破りの材料を特定できるようにするために、彼らはまず、どのプロセスがそのような材料の熱伝導に原子レベルで役割を果たすかを分析する必要がありました。
「基本的に、熱が材料内を伝播するメカニズムは2つあります」と、ウィーン工科大学の材料化学研究所のGeorgMadsen教授は説明しました。 「まず、材料を通過する電子を介してエネルギーを取ります。これが、優れた導電体の主要なメカニズムです。次に、材料の集合的な格子振動であるフォノンを通過します。」原子が動き、他の原子がぐらつく。高温では、通常、これらの振動の伝播による熱伝導が決定的な効果になります。
しかし、電子も格子振動も、材料全体を完全に妨げられることなく伝播することはできません。この熱エネルギーの伝播を遅くするさまざまなプロセスがあります。電子と格子振動は相互作用する可能性があり、散乱する可能性があり、材料の不規則性によって停止する可能性があります。場合によっては、元素のさまざまな同位体が材料に組み込まれているという事実によって、熱伝導が劇的に制限されることさえあります。その場合、原子の質量はまったく同じではなく、これが原子の集合的な振動挙動に影響を与えます。
「これらの影響のいくつかは抑制できますが、通常はすべて同時にではありません」とマドセン氏は述べています。 「それはモグラたたきをするようなものです。あなたは1つの問題を解決し、同時に新しい問題がどこかで発生します。」
金属は通常、平凡な熱伝導率を持っています。既知の熱伝導率が最も高い金属は銀であり、記録保持材料であるダイヤモンドの伝導率のほんの一部です。しかし、ダイヤモンドは高価であり、処理が非常に困難です。
精巧な理論的分析とコンピューターシミュレーションにより、チームは最終的に適切な材料、つまり窒化タンタルの六角形のθ相を特定することに成功しました。タンタルは、同位体の違いがほとんどないため、特に有利です。天然に存在するタンタルのほぼ99.99％は、同位体タンタル181です。他の亜種はほとんど発生しません。
「窒素と特殊な原子スケールの形状の組み合わせにより、相は金属になり、熱を運ぶ振動と他の振動および伝導電子との相互作用が抑制されます。他の材料の熱伝導を阻害するのはまさにこれらの相互作用です」と述べています。マドセン。 「これらの相互作用は、エネルギー保存の法則に違反するため、この資料では不可能です。」
したがって、この形態の窒化タンタルはいくつかの重要な利点を兼ね備えており、銀の数倍の熱伝導率を持ち、ダイヤモンドに匹敵する記録的な材料になっています。マドセンによれば、窒化タンタルはチップ産業にとって非常に有望な材料です。 「チップはますます小さくなり、強力になっているため、伝導熱はますます大きな問題になっています。θ相窒化タンタルほどこの問題を解決できる材料は他にありません」と彼は言いました。
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