기록적인 열전도 재료로 컴퓨터 칩 절약

중국 및 미국의 그룹과 협력하여 TU Wien의 연구팀은 최적의 열 전도체를 찾기 시작했습니다. 그들은 마침내 매우 특정한 형태의 탄탈륨 질화물에서 찾고 있던 것을 찾았습니다. 알려진 다른 어떤 금속 재료도 열전도율이 더 높지 않습니다. 이 기록적인 물질을 식별할 수 있으려면 먼저 원자 수준에서 그러한 물질의 열 전도에 역할을 하는 과정을 분석해야 했습니다.

TU Wien 소재 화학 연구소의 Georg Madsen 교수는 "기본적으로 재료에서 열이 전파되는 두 가지 메커니즘이 있습니다. "첫째, 물질을 통해 이동하는 전자를 통해 에너지를 가져옵니다. 이것은 우수한 전기 전도체의 주요 메커니즘입니다. 두 번째는 물질의 집합적 격자 진동인 포논을 통해서입니다." 원자가 움직여 다른 원자가 흔들립니다. 더 높은 온도에서는 이러한 진동의 전파를 통한 열전도가 일반적으로 결정적인 영향을 미칩니다.

그러나 전자나 격자 진동은 재료를 통해 방해받지 않고 완전히 전파될 수 없습니다. 이러한 열 에너지의 전파를 늦추는 다양한 프로세스가 있습니다. 전자와 격자 진동은 서로 상호 작용할 수 있고, 산란될 수 있으며, 재료의 불규칙성에 의해 멈출 수 있습니다. 어떤 경우에는 원소의 다른 동위원소가 재료에 내장되어 있다는 사실에 의해 열전도가 극적으로 제한될 수도 있습니다. 이 경우 원자는 정확히 같은 질량을 갖지 않으며 이는 원자의 집합적 진동 거동에 영향을 미칩니다.

Madsen은 "이러한 효과 중 일부는 억제될 수 있지만 일반적으로 동시에 모두는 아닙니다."라고 말했습니다. "두더지 잡기 게임과 같습니다. 하나의 문제를 해결하는 동시에 다른 곳에서 새로운 문제가 발생합니다."

금속은 일반적으로 열전도율이 보통입니다. 열전도율이 가장 높은 것으로 알려진 금속은 은으로, 기록 보유 물질인 다이아몬드의 전도율의 극히 일부에 불과합니다. 그러나 다이아몬드는 비싸고 가공하기가 매우 어렵습니다.

정교한 이론적 분석과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 팀은 마침내 적합한 재료인 탄탈륨 질화물의 육각형 θ상을 식별하는 데 성공했습니다. 탄탈륨은 다른 동위원소가 거의 없기 때문에 특히 유리합니다. 자연적으로 발생하는 탄탈륨의 거의 99.99%는 동위원소 탄탈륨 181입니다. 다른 변종은 거의 발생하지 않습니다.

"질소와 특수 원자 규모 기하학의 조합은 위상을 금속으로 만들고 열 전달 진동과 다른 진동 및 전도 전자와의 상호 작용을 억제합니다. 다른 재료의 열 전도를 억제하는 것은 바로 이러한 상호 작용입니다"라고 말했습니다. 매드슨. "이러한 상호작용은 에너지 보존 법칙을 위반하므로 이 물질에서는 불가능합니다."

따라서 이러한 형태의 질화 탄탈은 몇 가지 중요한 장점을 결합하여 은보다 몇 배 더 높고 다이아몬드에 필적하는 열전도율을 가진 기록적인 재료로 만듭니다. Madsen에 따르면 탄탈륨 질화물은 칩 산업에서 매우 유망한 재료입니다. "칩이 점점 더 작아지고 강력해짐에 따라 전도 열이 점점 더 큰 문제가 되고 있습니다. θ상 탄탈륨 질화물보다 이 문제를 더 잘 해결하는 재료는 없습니다."라고 그는 말했습니다.