Wärmeleitungsaufzeichnung mit Tantalnitrid

31. März 2021

von der Technischen Universität Wien

Eine Thermosflasche hat die Aufgabe, die Temperatur zu halten – manchmal möchte man aber auch das Gegenteil erreichen: Computerchips erzeugen Wärme, die möglichst schnell abgeführt werden muss, damit der Chip nicht zerstört wird. Dafür sind spezielle Materialien mit besonders guten Wärmeleiteigenschaften erforderlich.

In Zusammenarbeit mit Gruppen aus China und den USA machte sich ein Forschungsteam der TU Wien daher auf die Suche nach dem optimalen Wärmeleiter. Sie fanden schließlich, wonach sie suchten, in einer ganz bestimmten Form von Tantalnitrid – kein anderes bekanntes metallisches Material hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Um dieses Rekordmaterial identifizieren zu können, mussten sie zunächst analysieren, welche Prozesse auf atomarer Ebene bei der Wärmeleitung in solchen Materialien eine Rolle spielen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

„Grundsätzlich gibt es zwei Mechanismen, durch die sich Wärme in einem Material ausbreitet“, erklärt Prof. Georg Madsen vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Zum einen durch die Elektronen, die durch das Material wandern und dabei Energie mitnehmen. Das ist der Hauptmechanismus für gute elektrische Leiter. Und zum anderen durch die Phononen, das sind kollektive Gitterschwingungen im Material.“ Die Atome bewegen sich und bringen andere Atome zum Wackeln. Bei höheren Temperaturen ist meist die Wärmeleitung durch Ausbreitung dieser Schwingungen der entscheidende Effekt.

Doch 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 interagieren, sie können streuen, sie können durch Unregelmäßigkeiten im Material gestoppt werden.

In manchen Fällen kann die Wärmeleitung sogar dadurch drastisch eingeschränkt werden, dass im Material unterschiedliche Isotope eines Elements eingebaut sind – also ähnliche Atome mit unterschiedlicher Neutronenzahl. In diesem Fall haben die Atome nicht genau die gleiche Masse, was sich auf das kollektive Schwingungsverhalten der Atome im Material auswirkt.

„Einige dieser Effekte können unterdrückt werden – aber meist nicht alle gleichzeitig“, sagt Georg Madsen. „Es ist, als würde man Whack-A-Mole spielen: Man löst ein Problem, und gleichzeitig entsteht woanders ein neues.“

Trotz unserer alltäglichen Erfahrung, dass wir uns die Hände an einer heißen Metallplatte verbrennen, haben Metalle typischerweise eine mittelmäßige Wärmeleitfähigkeit. Das Metall mit der höchsten bekannten Wärmeleitfähigkeit ist Silber – mit nur einem Bruchteil der Leitfähigkeit des Rekordmaterials Diamant. Doch 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 gibt. 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 Skalengeometrie 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 Georg Madsen. „Diese Wechselwirkungen sind in diesem Material nicht möglich, weil sie gegen das Energieerhaltungsgesetz 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.

„Für die Chipindustrie ist Tantalnitrid ein vielversprechendes Material“, ist Madsen überzeugt. „Chips werden immer kleiner und leistungsfähiger, daher wird die Wärmeleitung ein immer größeres Problem. Kein anderes Material löst dieses Problem besser als das θ-Phasen-Tantalnitrid.“

Mehr Informationen: Ashis Kundu et al. Ultrahohe Wärmeleitfähigkeit von θ-Phasen-Tantalnitrid, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.115901

Zeitschrifteninformationen:Briefe zur körperlichen Untersuchung

Zur Verfügung gestellt von der Technischen Universität Wien