Record de conduction thermique avec du nitrure de tantale

31 mars 2021

par l'Université de technologie de Vienne

Une bouteille thermos a pour fonction de conserver la température, mais parfois vous voulez obtenir le contraire : les puces informatiques génèrent de la chaleur qui doit être dissipée le plus rapidement possible afin que la puce ne soit pas détruite. Cela nécessite des matériaux spéciaux avec des propriétés de conduction thermique particulièrement bonnes.

En collaboration avec des groupes de Chine et des États-Unis, une équipe de recherche de la TU Wien s'est donc attelée à trouver le conducteur de chaleur optimal. Ils ont finalement trouvé ce qu'ils cherchaient dans une forme très spécifique de nitrure de tantale - aucun autre matériau métallique connu n'a une conductivité thermique plus élevée. Afin de pouvoir identifier ce matériau record, ils ont d'abord dû analyser quels processus jouent un rôle dans la conduction thermique de ces matériaux au niveau atomique . Les résultats viennent d'être publiés dans la revue scientifique Physical Review Letters.

"Fondamentalement, il existe deux mécanismes par lesquels la chaleur se propage dans un matériau", explique le professeur Georg Madsen de l'Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. "Premièrement, à travers les électrons qui traversent le matériau, emportant de l'énergie avec eux. C'est le mécanisme principal des bons conducteurs électriques. Et deuxièmement à travers les phonons, qui sont des vibrations collectives du réseau dans le matériau." Les atomes bougent, faisant vaciller d'autres atomes. A des températures plus élevées, la conduction thermique par propagation de ces vibrations est généralement l'effet décisif.

Mais ni les électrons ni les vibrations du réseau ne peuvent se propager complètement sans entrave à travers le matériau. Il existe différents processus qui ralentissent cette propagation de l'énergie thermique. Les électrons et les vibrations du réseau peuvent interagir les uns avec les autres, ils peuvent se disperser, ils peuvent être arrêtés par des irrégularités dans le matériau.

Dans certains cas, la conduction thermique peut même être considérablement limitée par le fait que différents isotopes d'un élément sont intégrés au matériau, c'est-à-dire des atomes similaires avec un nombre différent de neutrons. Dans ce cas, les atomes n'ont pas exactement la même masse, ce qui affecte le comportement vibratoire collectif des atomes dans le matériau.

"Certains de ces effets peuvent être supprimés, mais généralement pas tous en même temps", explique Georg Madsen. "C'est comme jouer à Whack-A-Mole : vous résolvez un problème et en même temps, un nouveau surgit ailleurs."

Malgré notre expérience quotidienne de nous brûler les mains sur une plaque de métal chaude, les métaux ont généralement une conductivité thermique médiocre. Le métal avec la conductivité thermique connue la plus élevée est l'argent, avec seulement une fraction de la conductivité du diamant, matériau qui détient le record. Mais les diamants sont chers et très difficiles à traiter.

Grâce à des analyses théoriques élaborées et des simulations informatiques, l'équipe a finalement réussi à identifier un matériau approprié : la phase θ hexagonale du nitrure de tantale. Le tantale est particulièrement favorable car il n'y a pratiquement pas d'isotopes différents. Près de 99,99% du tantale naturel est l'isotope tantale 181, d'autres variantes se produisent à peine.

"La combinaison avec l'azote et la géométrie spéciale de l'échelle atomique rendent la phase métallique et suppriment les interactions des vibrations porteuses de chaleur avec d'autres vibrations et avec les électrons conducteurs. Ce sont exactement ces interactions qui inhibent la conduction thermique dans d'autres matériaux", explique Georg. Madsen. "Ces interactions ne sont pas possibles dans ce matériau car elles violeraient la loi de la conservation de l'énergie."

Par conséquent, cette forme de nitrure de tantale combine plusieurs avantages importants, ce qui en fait un matériau record avec une conductivité thermique plusieurs fois supérieure à celle de l'argent et comparable au diamant.

« Pour l'industrie des puces, le nitrure de tantale est un matériau très prometteur », en est convaincu Madsen. "Les puces deviennent plus petites et plus puissantes, donc la conduction de la chaleur devient un problème de plus en plus important. Aucun autre matériau ne résout mieux ce problème que le nitrure de tantale en phase θ."

Plus d'information: Ashis Kundu et al. Conductivité thermique ultra-élevée du nitrure de tantale en phase θ, Physical Review Letters (2021). DOI : 10.1103/PhysRevLett.126.115901

Informations sur la revue :Lettres d'examen physique

Fourni par l'Université de technologie de Vienne