Rekord-Wärmeleiter entdeckt: Tantalnitrid könnte Chip-Kühlung revolutionieren

In Zusammenarbeit mit Gruppen aus China und den USA machte sich ein Forschungsteam der TU Wien auf die Suche nach dem optimalen Wärmeleiter. Sie fanden ihn in einer sehr spezifischen Form von Tantalnitrid – kein anderes bekanntes metallisches Material hat eine höhere thermische Leitfähigkeit. Um diesen Rekordmaterial identifizieren zu können, mussten sie zuerst analysieren, welche Prozesse auf atomarer Ebene eine Rolle in der Wärmeleitung solcher Materialien spielen.

Wärmeleitmechanismen

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

Weder Elektronen noch Gitterschwingungen können sich完全 unhindered durch das Material ausbreiten. Verschiedene Prozesse verlangsamen diese Ausbreitung thermischer Energie. Elektronen und Gitterschwingungen können miteinander interagieren, sie können streuen, durch Unregelmäßigkeiten im Material gestoppt werden. In manchen Fällen kann die Wärmeleitung sogar dramatisch limitiert sein, weil verschiedene Isotope eines Elements im Material eingebaut sind. Dann haben die Atome nicht exakt dieselbe Masse, was das kollektive Schwingungsverhalten beeinflusst.

„Einige dieser Effekte können unterdrückt werden – aber meist nicht alle gleichzeitig“, sagte Madsen. „Es ist wie Whack-A-Mole: Man löst ein Problem, und gleichzeitig taucht ein neues anderswo auf.“

Warum Tantalnitrid?

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

Mit aufwendigen theoretischen Analysen und Computersimulationen gelang dem Team schließlich die Identifikation eines geeigneten Materials: Die hexagonale θ-Phase von Tantalnitrid. Tantal ist besonders günstig, weil es kaum verschiedene Isotope hat. Fast 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“, sagte Madsen. „Diese Wechselwirkungen sind in diesem Material nicht möglich, weil sie das Energieerhaltungsgesetz verletzen würden.“

Daher kombiniert diese Form von Tantalnitrid mehrere wichtige Vorteile, was es zu einem Rekordmaterial mit einer thermischen Leitfähigkeit macht, die mehrere Male höher als Silber und mit Diamant vergleichbar ist. Laut Madsen ist Tantalnitrid ein hochversprechendes Material für die Chipindustrie. „Chips werden kleiner und leistungsstärker, sodass Wärmeableitung ein immer größeres Problem wird. Kein anderes Material löst dieses Problem besser als die θ-Phase von Tantalnitrid“, sagte er.