Varmeledningspost med tantalnitrid

En termosflaske har til opgave at bevare temperaturen - men nogle gange vil du opnå det modsatte:Computerchips genererer varme, der skal spredes så hurtigt som muligt, så chippen ikke ødelægges. Dette kræver specielle materialer med særligt gode varmeledende egenskaber.

I samarbejde med grupper fra Kina og USA, et forskerhold fra TU Wien gik derfor ud for at finde den optimale varmeleder. De fandt endelig det, de ledte efter, i en meget specifik form for tantalnitrid - intet andet kendt metallisk materiale har en højere varmeledningsevne. For at kunne identificere dette rekordstore materiale, de skulle først analysere, hvilke processer der spiller en rolle i varmeledning i sådanne materialer på atomniveau. Resultaterne er nu blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Elektroner og gittervibrationer

"I bund og grund, der er to mekanismer, hvorved varme formerer sig i et materiale, "forklarer prof. Georg Madsen fra Institute of Materials Chemistry ved TU Wien." For det første gennem elektronerne, der bevæger sig gennem materialet, tager energi med dem. Dette er hovedmekanismen i gode elektriske ledere. Og for det andet gennem fononerne, som er kollektive gittervibrationer i materialet. "Atomer bevæger sig, får andre atomer til at vakle. Ved højere temperaturer, varmeledning gennem spredning af disse vibrationer er normalt den afgørende effekt.

Men hverken elektronerne eller gittervibrationerne kan forplante sig helt uhindret gennem materialet. Der er forskellige processer, der bremser denne spredning af termisk energi. Elektroner og gittervibrationer kan interagere med hinanden, de kan sprede, de kan stoppes af uregelmæssigheder i materialet.

I nogle tilfælde, varmeledning kan endda være dramatisk begrænset af det faktum, at forskellige isotoper af et element er indbygget i materialet - dvs. lignende atomer med forskellige antal neutroner. I det tilfælde, atomer har ikke nøjagtig samme masse, og dette påvirker atomernes kollektive vibrationsadfærd i materialet.

"Nogle af disse effekter kan undertrykkes - men normalt ikke alle på samme tid, "siger Georg Madsen." Det er som at spille Whack-A-Mole:Du løser et problem, og samtidig opstår en ny et andet sted. "

Tantal nitrid, altmuligmand

På trods af vores daglige oplevelse af at brænde vores hænder på en varm metalplade, metaller har typisk en middelmådig varmeledningsevne. Metallet med den højest kendte varmeledningsevne er sølv - med kun en brøkdel af ledningsevnen for det pladeholdige materiale diamant. Men diamanter er dyre og meget vanskelige at behandle.

Med detaljerede teoretiske analyser og computersimuleringer Det lykkedes endelig teamet at identificere et egnet materiale:Den sekskantede θ-fase af tantalnitrid. Tantal er særlig gunstig, fordi der næsten ikke er forskellige isotoper. Næsten 99,99% af den naturligt forekommende tantal er isotopen tantal 181, andre varianter forekommer næppe.

"Kombinationen med nitrogen og den specielle atomskala geometri gør fasen metallisk, og det undertrykker interaktioner mellem de varmebærende vibrationer med andre vibrationer og med de ledende elektroner. Det er præcis de interaktioner, der hæmmer varmeledning i andre materialer, "siger Georg Madsen." Disse interaktioner er ikke mulige i dette materiale, fordi de ville overtræde loven om energibesparelse. "

Derfor, denne form for tantalnitrid kombinerer flere vigtige fordele, hvilket gør det til et rekordstort materiale med en varmeledningsevne flere gange højere end sølv og kan sammenlignes med diamant.

"For chipindustrien, tantalnitrid er et meget lovende materiale, "Madsen er overbevist." Chips bliver mindre og mere kraftfulde, så ledende varme bliver et større og større problem. Intet andet materiale løser dette problem bedre end θ-fase tantalnitrid. "