Een thermosfles heeft als taak de temperatuur op peil te houden, maar soms wil je het tegenovergestelde bereiken:computerchips genereren warmte die zo snel mogelijk moet worden afgevoerd, zodat de chip niet kapot gaat. Dit vereist speciale materialen met bijzonder goede warmtegeleidende eigenschappen.

In samenwerking met groepen uit China en de Verenigde Staten, een onderzoeksteam van de TU Wien ging daarom op zoek naar de optimale warmtegeleider. Ze vonden eindelijk wat ze zochten in een zeer specifieke vorm van tantaalnitride - geen enkel ander bekend metallisch materiaal heeft een hogere thermische geleidbaarheid. Om dit recordbrekende materiaal te kunnen identificeren, ze moesten eerst analyseren welke processen een rol spelen bij de warmtegeleiding in dergelijke materialen op atomair niveau. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Elektronen en roostertrillingen

"In principe, er zijn twee mechanismen waarmee warmte zich in een materiaal voortplant, " legt prof. Georg Madsen van het Institute of Materials Chemistry aan de TU Wien uit. "Ten eerste, door de elektronen die door het materiaal reizen, energie mee te nemen. Dit is het belangrijkste mechanisme in goede elektrische geleiders. En ten tweede door de fononen, die collectieve roostertrillingen in het materiaal zijn." De atomen bewegen, waardoor andere atomen gaan wiebelen. Bij hogere temperaturen, warmtegeleiding door voortplanting van deze trillingen is meestal het beslissende effect.

Maar noch de elektronen, noch de roostertrillingen kunnen zich volledig ongehinderd door het materiaal voortplanten. Er zijn verschillende processen die deze verspreiding van thermische energie vertragen. Elektronen en roostertrillingen kunnen met elkaar interageren, ze kunnen verstrooien, ze kunnen worden tegengehouden door oneffenheden in het materiaal.

In sommige gevallen, warmtegeleiding kan zelfs drastisch worden beperkt door het feit dat verschillende isotopen van een element in het materiaal zijn ingebouwd, d.w.z. vergelijkbare atomen met verschillende aantallen neutronen. In dat geval, de atomen hebben niet precies dezelfde massa, en dit beïnvloedt het collectieve trillingsgedrag van de atomen in het materiaal.

"Sommige van deze effecten kunnen worden onderdrukt, maar meestal niet allemaal tegelijk, ", zegt Georg Madsen. "Het is alsof je Whack-A-Mole speelt:je lost één probleem op, en tegelijkertijd ontstaat er ergens anders een nieuwe."

Tantaalnitride, de alleskunner

Ondanks onze dagelijkse ervaring van het verbranden van onze handen aan een hete metalen plaat, metalen hebben doorgaans een middelmatige thermische geleidbaarheid. Het metaal met de hoogste bekende thermische geleidbaarheid is zilver - met slechts een fractie van de geleidbaarheid van het recordhoudmateriaal diamant. Maar diamanten zijn duur en zeer moeilijk te verwerken.

Met uitgebreide theoretische analyses en computersimulaties, het team slaagde er uiteindelijk in een geschikt materiaal te identificeren:de hexagonale θ-fase van tantaalnitride. Tantaal is bijzonder gunstig omdat er nauwelijks verschillende isotopen zijn. Bijna 99,99% van het natuurlijk voorkomende tantaal is de isotoop tantaal 181, andere varianten komen nauwelijks voor.

"De combinatie met stikstof en de speciale geometrie op atomaire schaal maken de fase metaalachtig, en het onderdrukt interacties van de warmtedragende trillingen met andere trillingen en met de geleidende elektronen. Het zijn precies die interacties die de warmtegeleiding in andere materialen remmen, " zegt Georg Madsen. "Deze interacties zijn niet mogelijk in dit materiaal omdat ze de wet van energiebesparing zouden schenden."

Daarom, deze vorm van tantaalnitride combineert een aantal belangrijke voordelen, waardoor het een recordbrekend materiaal is met een thermische geleidbaarheid die meerdere keren hoger is dan die van zilver en vergelijkbaar is met diamant.

"Voor de chipindustrie tantaalnitride is een veelbelovend materiaal, Madsen is overtuigd. "Chips worden kleiner en krachtiger, dus warmte geleiden wordt een steeds groter probleem. Geen enkel ander materiaal lost dit probleem beter op dan het θ-fase tantaalnitride."