Изследователи от Инженерния факултет на UCLA Samueli, ръководени от професор Yongjie Hu, са синтезирали монокристал от тета-фаза танталов нитрид (θ-TaN) с топлопроводимост при стайна температура, достигаща приблизително 1100 W/mK, почти три пъти по-висока от тази на медта при 400 W/mK и слагайки край на вековното царуване на медта като най-добрия метален топлопроводник. Пробивът, публикуван в Science, метал, който съществува само на теория от 50-те години на миналия век, когато немският химик Брауер за първи път идентифицира тета фазата при условия на висока температура и високо налягане.
Предизвикателството за синтез беше огромно. Theta-TaN изисква хиляди градуси по Целзий с гигапаскално налягане, за да се стабилизира, а системата TaN съдържа множество конкуриращи се фази. Предишни опити произвеждаха само дефектни поликристални прахове. Екипът използва реакция на метатеза, подпомагана от поток, използвайки метален натрий като редуктор и поток, заобикаляйки традиционния синтез под високо налягане за директно превръщане на танталов оксид в монокристали TaN. Получените кристали с размер 10-100 микрометра с чиста повърхност и чистота на една фаза бяха валидирани чрез Raman спектроскопия, монокристална XRD, HRTEM и EELS характеристика.
Изключителната топлопроводимост произтича от уникалната динамика на решетката. Докато медта разчита на свободни електрони за топлопроводимост със значителни загуби от електрон-фононно разсейване, θ-TaN проявява изключително слаби фонон-фононни взаимодействия и минимално електрон-фононно свързване, ефективно блокирайки и двата канала на разсейване. Освен това естественият тантал е 99,988% единичен изотоп 181Ta, елиминирайки изотопното разсейване на масата, което влошава термичния транспорт в повечето материали. Тези комбинирани ефекти създават кристална решетка, която е почти прозрачна за топлинния поток, доближавайки се до теоретичната граница за топлопроводимост на метала.
Практическото значение за охлаждането на AI чипове е значително. Тъй като плътността на мощността на NVIDIA и други AI ускорители увеличават мощността на стелажите в центъра за данни към 300 kW, термичното управление се превърна в критично тясно място. Настоящите термични пътища на чипове разчитат на мед за разпределители на топлина, материали за термичен интерфейс и субстрати на опаковката. θ-TaN предлага метална съвместимост със съществуващите процеси за производство на полупроводници, тъй като танталният нитрид вече се използва като дифузионна бариера в технологията за свързване на мед. За разлика от CVD диамантените филми, които предлагат по-висока топлопроводимост, но изискват отделни процеси на отлагане, са електрически изолиращи и са изключително трудни за машинна обработка, θ-TaN може потенциално да се депозира като тънки филми, директно съвместими със съществуващите производствени линии.
Незабавното приложение е като междинен слой с висока топлопроводимост между матрицата на чипа и радиатора, сравним с настоящите CVD диамантени топлинни разпределители, но със съвместимост с метални процеси, включително електрическа проводимост. Изследването също така отваря вратата за систематично синтезиране на други съединения на преходни метали с подобно слабо електрон-фононно свързване, включително волфрамов нитрид и молибденов фосфид, което потенциално дава допълнителни метални материали с висока топлопроводимост. Докато обемното производство и дългосрочната термична стабилност при околно налягане изискват по-нататъшно изследване, θ-TaN представлява първата демонстрация, че топлопроводимостта на метала може значително да надхвърли медта, предлагайки нова платформа за материали за справяне с ескалиращите предизвикателства за термичното управление на компютърен хардуер от следващо поколение AI.