記録的熱伝導体を発見：タンタル窒化物がチップ冷却に革命をもたらす可能性

中国とアメリカのグループと協力して、ウィーン工科大学（TU Wien）の研究チームが最適な熱伝導体を探し求めました。ついに、タンタル窒化物の非常に特定の形態において、それを見つけました——他のいかなる既知の金属材料よりも高い熱伝導率を持っています。この記録的材料を特定するために、彼らはまず、そのような材料における原子レベルでの熱伝導にどのプロセスが役割を果たすかを分析する必要がありました。

「基本的に、物質中で熱が伝播するには2つのメカニズムがあります」と、TU Wien材料化学研究所のゲオルク・マドセン教授は説明します。「第一に、物質を移動する電子がエネルギーを運ぶものです。これは優れた電気伝導体での主要メカニズムです。第二に、フォノン、すなわち物質中の集団格子振動を通じてです。原子が動き、他の原子を揺らします。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となります。」

しかし、電子も格子振動も、物質中を完全に妨げられることなく伝播できるわけではありません。熱エネルギーの伝播を遅らせる様々なプロセスがあります。電子と格子振動は相互作用し、散乱し、物質の不規則性によって停止されることがあります。場合によっては、元素の異なる同位体が物質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。この場合、原子は正確には同じ質量を持たず、これが原子の集団振動挙動に影響を与えます。

「これらの効果のいくつかは抑制できます——しかし通常はすべてを同時に抑制することはできません」とマドセン氏。「モグラ叩きのようなものです：一つの問題を解決すると、同時に別の場所で新しい問題が生じます。」

金属は通常、平凡な熱伝導率を持ちます。既知の最高熱伝導率を持つ金属は銀——しかし、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に過ぎません。しかしダイヤモンドは高価で加工が非常に困難です。

精巧な理論分析とコンピューターシミュレーションにより、チームはついに適切な材料を特定することに成功しました：タンタル窒化物の六方晶θ相です。タンタルは、ほとんど異なる同位体を持たないため特に有利です。天然タンタルの99.99%以上が同位体タンタル181であり、他のバリエーションはほとんど存在しません。

「窒素との組み合わせと特殊な原子スケール幾何学により、この相は金属的になり、熱を運ぶ振動と他の振動、および伝導電子との相互作用を抑制します。まさにこれらの相互作用が、他の材料での熱伝導を阻害しています」とマドセン氏。「これらの相互作用は、エネルギー保存則に違反するため、この材料では起こり得ません。」

したがって、この形態のタンタル窒化物はいくつかの重要な利点を組み合わせ、銀の数倍、ダイヤモンドに匹敵する熱伝導率を持つ記録的材料となっています。マドセン氏によると、タンタル窒化物はチップ業界にとって非常に有望な材料です。「チップはより小さく、より強力になっており、熱伝導がますます大きな問題になっています。θ相タンタル窒化物ほどこの問題を解決する材料は他にありません」と彼は語っています。

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