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金属材料导热性能纪录刷新

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来源:科技日报

美国加州大学洛杉矶分校科学家领导的多机构研究团队发现,金属材料θ相氮化钽的热导率高达约1100瓦/米·开尔文,接近铜或银的3倍,刷新金属导热性能的纪录。这一成果挑战了百余年来关于金属热传导极限的传统认知,有助于解决人工智能(AI)散热难题。相关论文发表于最新一期《科学》杂志。

热导率衡量的是材料传递热量的能力。电子设备过热会严重制约其性能、稳定性和能效,因此高效导热对消除电子设备的“热点”至关重要。目前,铜凭借约400瓦/米·开尔文的热导率主导着全球散热材料市场,广泛应用于各类热管理系统;银的热导率为429瓦/米·开尔文。然而,θ相氮化钽重新定义了金属导热的上限。

在金属材料中,热量由自由移动的电子和被称为声子的原子振动携带。电子和声子之间的强相互作用以及声子—声子相互作用限制了金属的热导率。研究表明,θ相氮化钽独特的原子结构——钽与氮以六边形网格排列,极大削弱了电子与声子(晶格振动)之间的相互作用,使热量得以更自由地流动。正是这种“弱耦合”机制,成就了其超凡的导热表现。

团队通过同步辐射X射线散射、超快光谱学等多种先进手段验证了该材料的优异性能。实验显示,其内部电子—声子相互作用极弱,热量传输效率远超传统金属。

长期以来,铜和银被视为金属导热能力的“天花板”。如今,这一“铁律”被打破,标志着人类对金属热输运的理解迈入新阶段。

随着AI技术迅猛发展,芯片功耗激增,散热需求日益逼近现有材料的极限。全球AI硬件对铜的依赖正成为技术升级的瓶颈。而θ相氮化钽不仅提供了一种极具潜力的高性能替代材料,更为下一代高导热材料的设计指明了方向。

该材料还有望广泛应用于微电子、数据中心、航空航天以及量子计算机等高度受制于散热难题的前沿领域。

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