En termosflaska har till uppgift att bibehålla temperaturen - men ibland vill du uppnå motsatsen:Datorchips genererar värme som måste avlägsnas så snabbt som möjligt så att chipet inte förstörs. Detta kräver speciella material med särskilt goda värmeledningsegenskaper.

I samarbete med grupper från Kina och USA, ett forskargrupp från TU Wien gav sig därför ut för att hitta den optimala värmeledaren. De hittade äntligen vad de letade efter i en mycket specifik form av tantalnitrid - inget annat känt metalliskt material har högre värmeledningsförmåga. För att kunna identifiera detta rekordstora material, de fick först analysera vilka processer som spelar en roll för värmeledning i sådana material på atomnivå. Resultaten har nu publicerats i den vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Elektroner och gittervibrationer

"I grund och botten, det finns två mekanismer genom vilka värme sprids i ett material, "förklarar prof. Georg Madsen från Institute of Materials Chemistry vid TU Wien." För det första genom elektronerna som rör sig genom materialet, tar energi med dem. Detta är huvudmekanismen för bra elektriska ledare. Och för det andra genom fononerna, som är kollektiva gittervibrationer i materialet. "Atomerna rör sig, får andra atomer att vingla. Vid högre temperaturer, värmeledning genom utbredning av dessa vibrationer är vanligtvis den avgörande effekten.

Men varken elektronerna eller gittervibrationerna kan föröka sig helt obehindrat genom materialet. Det finns olika processer som bromsar denna spridning av termisk energi. Elektroner och gittervibrationer kan interagera med varandra, de kan sprida, de kan stoppas av oegentligheter i materialet.

I vissa fall, värmeledning kan till och med dramatiskt begränsas av det faktum att olika isotoper av ett element är inbyggda i materialet - dvs. liknande atomer med olika antal neutroner. Isåfall, atomerna har inte exakt samma massa, och detta påverkar atomernas kollektiva vibrationsbeteende i materialet.

"Några av dessa effekter kan undertryckas - men vanligtvis inte alla samtidigt, "säger Georg Madsen." Det är som att spela Whack-A-Mole:Du löser ett problem, och samtidigt uppstår en ny någon annanstans. "

Tantalnitrid, allroundaren

Trots vår dagliga erfarenhet av att bränna händerna på en het metallplatta, metaller har vanligtvis en medelmåttig värmeledningsförmåga. Metallen med den högsta kända värmeledningsförmågan är silver - med bara en bråkdel av ledningsförmågan hos det rekordhållande materialet diamant. Men diamanter är dyra och mycket svåra att bearbeta.

Med genomarbetade teoretiska analyser och datasimuleringar, laget lyckades slutligen identifiera ett lämpligt material:Den sexkantiga θ-fasen av tantalnitrid. Tantal är särskilt fördelaktigt eftersom det knappast finns några olika isotoper. Nästan 99,99% av det naturligt förekommande tantalet är isotopen tantal 181, andra varianter förekommer knappast.

"Kombinationen med kväve och den speciella atomskala geometrin gör fasen metallisk, och det undertrycker interaktioner mellan värmebärande vibrationer med andra vibrationer och med de ledande elektronerna. Det är exakt de interaktioner som hämmar värmeledning i andra material, "säger Georg Madsen." Dessa interaktioner är inte möjliga i detta material eftersom de skulle bryta mot lagen om energibesparing. "

Därför, denna form av tantalnitrid kombinerar flera viktiga fördelar, vilket gör det till ett rekordstort material med värmeledningsförmåga flera gånger högre än silver och jämförbart med diamant.

"För chipindustrin, tantalnitrid är ett mycket lovande material, "Madsen är övertygad." Chips blir mindre och kraftfullare, så värmeledande blir ett större och större problem. Inget annat material löser detta problem bättre än θ-fasen tantalnitrid. "