窒化タンタルの熱伝導記録

2021年3月31日

ウィーン工科大学による

魔法瓶には温度を保つという役割がありますが、場合によってはその逆のことを行いたいことがあります。コンピュータ チップは熱を発生するので、チップが破壊されないようにできるだけ早く放散する必要があります。 これには、特に優れた熱伝導特性を備えた特別な材料が必要です。

そこでウィーン工科大学の研究チームは、中国と米国のグループと協力して、最適な熱伝導体を見つけることに着手した。 彼らは最終的に、非常に特殊な形態の窒化タンタルで探していたものを発見しました。これより高い熱伝導率を持つ既知の金属材料は他にありません。 この記録を破った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役割を果たしているかを原子レベルで分析する必要がありました。 この結果は現在、科学雑誌「Physical Review Letters」に掲載されている。

「基本的に、材料内で熱が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材料化学研究所のゲオルグ・マドセン教授は説明します。 「第一に、材料中を移動する電子を通じてエネルギーを受け取ります。これが良好な電気伝導体の主なメカニズムです。第二に、材料内の集合的な格子振動であるフォノンを通じてです。」 原子が移動すると、他の原子がぐらつきます。 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影響を及ぼします。

しかし、電子も格子振動も、材料中を完全に妨げられずに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存在します。 電子と格子振動は相互作用したり、散乱したり、材料の不規則性によって停止したりすることがあります。

場合によっては、元素の異なる同位体、つまり中性子の数が異なる類似の原子が材料に組み込まれているという事実によって、熱伝導が大幅に制限されることさえあります。 その場合、原子はまったく同じ質量を持たず、これが材料内の原子の集合的な振動挙動に影響を与えます。

「これらの影響の一部は抑制できますが、通常はすべてを同時に抑制できるわけではありません」とゲオルク・マドセン氏は言う。 「もぐらたたきをしているようなものです。1 つの問題を解決すると、同時に別の場所で新しい問題が発生します。」

熱い金属板で手を火傷するという経験は日常的にありますが、金属の熱伝導率は通常中程度です。 既知の最も高い熱伝導率を持つ金属は銀であり、その伝導率は記録保持材料であるダイヤモンド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あり、加工が非常に困難です。

入念な理論分析とコンピューター シミュレーションにより、チームは最終的に適切な材料である窒化タンタルの六方晶系 θ 相を特定することに成功しました。 タンタルは、異なる同位体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 であり、他の変種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の形状により相が金属になり、熱を運ぶ振動と他の振動や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。」とゲオルグ氏は言います。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、この材料では不可能です。」

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、銀よりも数倍高く、ダイヤモンドに匹敵する熱伝導率を備えた記録破りの材料となっています。

「チップ業界にとって、窒化タンタルは非常に有望な材料です」とマドセン氏は確信している。 「チップは小型化、高性能化が進んでおり、熱伝導の問題がますます大きくなってきています。θ 相窒化タンタルほどこの問題を解決できる材料はありません。」

詳しくは：アシス・クンドゥら。 θ 相窒化タンタルの超高熱伝導率、Physical Review Letters (2021)。 DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.115901

雑誌情報:物理的なレビューレター

ウィーン工科大学提供