北京
美国加州大学洛杉矶分校的研究人员发现了一种导热性创下金属材料纪录的新型金属。这一发现挑战了长期以来关于金属材料导热极限的传统认知。
该校塞缪尔利工程学院的研究团队报告称，θ相氮化钽的导热效率接近铜或银这两种最佳传统导热金属的三倍。
θ相氮化钽提供更高的热导率
"随着人工智能技术的快速发展，散热需求正将铜等传统金属推向性能极限，而全球芯片和人工智能加速器对铜的严重依赖正成为一个关键问题，"同样是加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员的胡教授表示。
"我们的研究表明，θ相氮化钽可能是一种全新的、更优越的替代品，可实现更高的热导率，并可能有助于指导下一代导热材料的设计。"
对于消除电子设备局部热点至关重要
热导率描述的是材料传导热量的效率。高热导率材料对于消除电子设备中的局部热点至关重要，过热会限制设备的性能、可靠性和能效。根据新闻稿，铜目前主导着全球散热器市场，约占商用热管理材料的30%，其热导率约为400瓦/米·开尔文。
这项发表在《科学》期刊上的研究指出，铜等金属材料的热导率上限约为400瓦/米·开尔文，这从根本上受到其内在散射机制的限制，从而限制了高效散热能力。
研究人员报告称，他们通过实验实现了单晶θ相氮化钽的制备。此前理论预测，这种亚稳态过渡金属氮化物有望突破这一限制。
室温下的热导率
研究人员在研究中表示："我们测量到其室温热导率约为1100瓦/米·开尔文，接近铜的三倍。基于同步加速器的非弹性X射线散射揭示了一种独特的声子能带结构，具有较大的声学-光学带隙和声子聚集效应，从而抑制了声子-声子散射。"
超快光学光谱学证实了其极弱的电子-声子耦合，并验证了第一性原理计算。根据该研究，这些发现重新定义了金属材料的热传输极限，并为推进电子和电力系统的热管理开辟了新的机遇。
研究团队指出，理论模型表明，θ相氮化钽由于其独特的原子结构（钽原子与氮原子以六边形模式交错排列），可能表现出异常高效的传热特性。该团队使用多种技术，包括基于同步加速器的X射线散射和超快光学光谱学，证实了该材料的性能。这些测量揭示了极其微弱的电子-声子相互作用，使得热量能够比在传统金属中更高效地传输。
根据新闻稿，研究人员表示，除了微电子和人工智能硬件领域，这一发现还可能对越来越多受到热量限制的广泛技术领域产生影响，包括数据中心、航空航天系统和新兴的量子平台。
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