Rekordverdächtiges Wärmeleitmaterial spart Computerchips

Gemeinsam mit Gruppen aus China und den USA hat sich ein Forscherteam der TU Wien auf die Suche nach dem optimalen Wärmeleiter gemacht. Sie fanden schließlich, wonach sie suchten, in einer ganz bestimmten Form von Tantalnitrid – kein anderes bekanntes metallisches Material hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Um dieses rekordverdächtige Material identifizieren zu können, mussten sie zunächst auf atomarer Ebene analysieren, welche Prozesse bei der Wärmeleitung in solchen Materialien eine Rolle spielen.

„Grundsätzlich gibt es zwei Mechanismen, durch die sich Wärme in einem Material ausbreitet“, erklärt Professor Georg Madsen vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Erstens durch die Elektronen, die durch das Material wandern und Energie mitnehmen. Das ist der Hauptmechanismus in guten elektrischen Leitern. Und zweitens durch die Phononen, das sind kollektive Gitterschwingungen im Material.“ Die Atome bewegen sich, wodurch andere Atome wackeln. Bei höheren Temperaturen ist meist die Wärmeleitung durch Ausbreitung dieser Schwingungen der entscheidende Effekt.

Aber weder die Elektronen noch die Gitterschwingungen können sich völlig ungehindert durch das Material ausbreiten. Es gibt verschiedene Prozesse, die diese Ausbreitung der Wärmeenergie verlangsamen. Elektronen und Gitterschwingungen können miteinander wechselwirken, sie können streuen, sie können durch Unregelmäßigkeiten im Material gestoppt werden. In einigen Fällen kann die Wärmeleitung sogar drastisch eingeschränkt werden, indem verschiedene Isotope eines Elements in das Material eingebaut werden. In diesem Fall haben die Atome nicht exakt die gleiche Masse, was sich auf das kollektive Schwingungsverhalten der Atome auswirkt.

„Einige dieser Effekte können unterdrückt werden – aber normalerweise nicht alle gleichzeitig“, sagte Madsen. "Es ist wie Whack-A-Mole zu spielen:Du löst ein Problem, und gleichzeitig entsteht woanders ein neues."

Metalle haben typischerweise eine mittelmäßige Wärmeleitfähigkeit. Das Metall mit der höchsten bekannten Wärmeleitfähigkeit ist Silber – mit nur einem Bruchteil der Leitfähigkeit des Rekordmaterials:Diamant. Aber Diamanten sind teuer und sehr schwer zu verarbeiten.

Mit aufwändigen theoretischen Analysen und Computersimulationen gelang es dem Team schließlich, ein geeignetes Material zu identifizieren:Die hexagonale θ-Phase von Tantalnitrid. Tantal ist besonders günstig, da es kaum unterschiedliche Isotope aufweist. Nahezu 99,99 % des natürlich vorkommenden Tantals ist das Isotop Tantal 181; andere Varianten kommen kaum vor.

„Die Kombination mit Stickstoff und die spezielle atomare Geometrie machen die Phase metallisch und unterdrücken Wechselwirkungen der wärmetragenden Schwingungen mit anderen Schwingungen und mit den leitenden Elektronen. Genau diese Wechselwirkungen hemmen die Wärmeleitung in anderen Materialien“, sagt er Madsen. „Diese Wechselwirkungen sind in diesem Material nicht möglich, weil sie gegen den Energieerhaltungssatz verstoßen würden.“

Daher vereint diese Form von Tantalnitrid mehrere wichtige Vorteile und macht es zu einem rekordverdächtigen Material mit einer um ein Vielfaches höheren Wärmeleitfähigkeit als Silber und vergleichbar mit Diamant. Tantalnitrid ist laut Madsen ein vielversprechendes Material für die Chipindustrie. „Chips werden immer kleiner und leistungsfähiger, daher wird die Wärmeleitung zu einem immer größeren Problem. Kein anderes Material löst dieses Problem besser als das θ-Phasen-Tantalnitrid“, sagte er.