Специалисты выявили металлический материал, демонстрирующий исключительную теплопроводность, значительно превосходящую показатели меди и серебра – почти в три раза. Ученые из Школы инженерии Сэмюэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе заявили, что тета-фаза нитрида тантала характеризуется выдающейся эффективностью теплопередачи.
Данное открытие противоречит устоявшимся взглядам на ограничения теплопередачи в металлических материалах. Медь, составляющая примерно 30% рынка материалов, используемых для отвода тепла, обладает теплопроводностью порядка 400 ватт на метр-кельвин. Новый материал демонстрирует показатель приблизительно 1100 ватт на метр-кельвин при обычной температуре.
По словам ведущего исследователя Ху, быстрый прогресс в области искусственного интеллекта увеличивает потребность в эффективном отводе тепла, что создает серьезные проблемы для традиционных металлических сплавов. Нитрид тантала в тета-фазной структуре способен предложить принципиально новый и более эффективный подход к разработке материалов будущего, отличающихся высокой теплопроводностью.
Эффективный отвод тепла от локальных перегретых зон имеет решающее значение для электронных устройств, поскольку перегрев негативно сказывается на их производительности, надёжности и энергоэффективности. Исследование, в журнале Science, указывает, что эффективный отвод тепла в металлах фундаментально ограничен внутренними механизмами рассеяния. Однако тета-фаза нитрида тантала, как предсказывали теоретические модели, преодолевает это ограничение благодаря своей уникальной атомной структуре, в которой атомы тантала чередуются с атомами азота в гексагональной решётке.
Характеристики материала были подтверждены командой с использованием различных методов, среди которых синхротронное рассеяние рентгеновских лучей и сверхбыстрая оптическая спектроскопия. Полученные данные свидетельствуют о крайне слабом взаимодействии между электронами и фононами, благодаря чему тепло передаётся значительно быстрее, чем в стандартных металлах. Кроме того, синхротронные исследования продемонстрировали уникальную фононную структуру материала, характеризующуюся большим акустико-оптическим зазором, который снижает рассеяние фононов.
Помимо микроэлектроники и аппаратной базы для искусственного интеллекта, это открытие способно оказать влияние на разнообразные технологии, которые в настоящее время часто сталкиваются с проблемой перегрева, такие как центры обработки данных, системы для аэрокосмической отрасли и перспективные квантовые платформы.