氮化鉭具驚人熱導率媲美鑽石,加快晶片散熱速度

作者 | 發布日期 2021 年 04 月 16 日 13:26 | 分類 材料 Telegram share ! follow us in feedly


目前已知熱導率最高的材料是石墨烯,其次為鑽石、銀等,但這些材料製備成本高昂,因此科學家一直持續在尋找可替代的配方,比如幾年前有人提出砷化硼熱導率有望媲美鑽石。現在,維也納工業大學(TU Wien)團隊發現氮化鉭的熱導率也相當驚人,同樣可與鑽石媲美。

電子裝置晶片在運作過程中會產生熱量,必須盡快將熱量傳導出去以避免損壞晶片,一般我們會在晶片外封裝金屬散熱片,然後中間以具有特別良好導熱性能的散熱膏填縫。在所有金屬中,銀是擁有最高電導率、熱導率與反射率的金屬材料,其次依序為銅、金、鋁等;若加入非金屬材料比較,則熱導率最高的材料是石墨烯,其次為金剛石(鑽石)。

不過這些材料製備成本高昂,石墨烯優異的導熱性雖然有望作為未來超大規模奈米積體電路的散熱材料,缺點就是價格偏高,而金屬是電的良導體,使用上必須注意做好絕緣。

前幾年,美國科學家實驗製備出砷化硼晶體熱導率約 900~1300 W/m·k,而理論預測甚至可以高達 2200 W/mk,幾乎媲美鑽石但更加便宜。最近,奧地利維也納工業大學團隊則是發現氮化鉭(TaN)的一種特殊晶相,也可以使其熱導率追上鑽石。

研究人員 Georg Madsen 教授先解釋,熱在材料中傳導的機制主要有 2 種,一種是穿過材料的電子帶走能量,另一種則是透過聲子,這是晶體中晶體結構集體激發的準粒子。但無論是電子還是晶格振動,都無法完全讓熱量不受阻礙地通過材料,許多原因都會減慢熱在材料中的傳遞,比如電子與晶格振動會相互作用、或被材料不規則行為阻止等。有些困難我們已提出方法應對,但無法全盤解決,就像好不容易處理完一個問題,另一個新問題又跑出來了。

透過詳盡的理論基礎與電腦模擬,現在團隊成功確認一種新的高熱導率材料:氮化鉭的六方晶系 θ 相。

首先,鉭這種金屬也具有高延展性、導熱性和導電性,化學活性低,且自然產生的鉭只有 2 種同位素:鉭-180(0.012%)與鉭-181(99.988%),前者是全宇宙最稀有的同位素,因此幾乎不用擔心出現鉭的變體。

在與氮和特殊的原子尺度幾何形狀結合後,氮化鉭六方晶系 θ 相(hexagonal θ-phase)具有金屬性,能抑制電子與其他晶格振動的相互作用從而提升熱導率,模擬結果表明其熱導率是銀的數倍,媲美鑽石。

研究人員認為氮化鉭在晶片電子業中是一種很有潛力的材料,沒有其他材料可比氮化鉭 θ 相更有效解決熱傳導阻礙這個問題。只不過目前趨勢預測,地球上所有鉭資源會在 50 年內耗盡,要使其作為新材料亮相的前途似乎有點黯淡。

新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

(首圖來源:維也納工業大學

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