导热图像
氮化钽可以比几乎所有其他材料更快地进行热量。(图片由Tu Wien提供)

与来自中国和美国的团体合作,涂威维也纳的研究小组寻求找到最佳的热导体。他们终于找到了它们以非常具体的氮化物形式寻找的内容 - 没有其他已知的金属材料具有较高的导热率。为了能够识别这种破坏性材料,首先必须分析该过程在原子水平处在这些材料中发挥着热传导的作用。

“基本上,热量在材料中传播有两种机制,”德国Wien大学材料化学研究所的Georg Madsen教授解释说。“首先,电子穿过材料,带走能量。这是良导体的主要机制。第二,通过声子,这是材料中的集体晶格振动。”原子运动,导致其他原子摆动。在较高的温度下,通过这些振动传播的热传导通常是决定性的效果。

但是电子和晶格振动都不能通过材料完全阻止地传播。有各种过程可以减缓这种热能传播。电子和晶格振动可以彼此相互作用,它们可以散射,它们可以通过材料中的不规则停止。在一些情况下,甚至可以显着地限制在材料中的不同同位素的事实中被显着限制。在这种情况下,原子没有完全相同的质量,这会影响原子的集体振动行为。

马德森说:“其中一些影响可以被抑制,但通常不能全部同时抑制。”“这就像打地鼠游戏:你解决了一个问题,同时另一个新问题又在其他地方出现了。”

金属通常具有平庸的导热率。具有最高的已知导热性的金属是银 - 仅具有记录保持材料的导电性的一小部分:金刚石。但钻石昂贵且难以处理。

通过精心制作的理论分析和计算机模拟,该团队最终成功地识别合适的材料:氮化钽的六边形θ相。钽特别有利,因为它几乎没有不同的同位素。近99.99%的天然存在的钽是同位素钽181;其他变体几乎没有发生。

“与氮和特殊原子尺度几何形状的组合使相位金属制成相位金属,并且抑制了与其他振动和导电电子的热携带振动的相互作用。它是抑制其他材料中的导热的相互作用,”Madsen。“这些物质不可能是这些互动,因为它们会违反节能定律。”

因此,这种形式的氮化钽结合了几个重要的优点,使它成为一种破纪录的材料,其导热系数比银高几倍,可与金刚石媲美。马德森说,氮化钽是一种非常有前途的芯片工业材料。“芯片越来越小,功能越来越强,所以导热问题越来越大。没有任何其他材料比θ-相氮化钽更好地解决了这个问题,”他说。

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