UCLA团队发现史上导热性能最强的金属材料

美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）工程师近日宣布，他们发现了一种迄今测得导热性能最强的金属材料——金属态 θ 相氮化钽（theta-phase tantalum nitride，TaN₍θ₎），其导热能力几乎是传统铜材料的三倍，在热输运物理研究领域树立了全新的纪录。

这项由UCLA塞缪尔工程学院胡永杰（Yongjie Hu）团队主导的研究显示，TaN₍θ₎ 的热导率约为每米每开尔文1100瓦，而目前广泛应用于电子散热领域的铜，其热导率约为400 W/mK，在理想条件下的银也大致处于相同水平。 过去一个多世纪里，铜和银一直被视为金属导热性能的标杆，如今这一最新测量结果首次在金属体系中大幅突破这一传统认知。

研究人员指出，这一性能跃升对于当下的高功率处理器、图形加速器以及人工智能芯片具有重要意义。 随着计算负载与能量密度持续攀升，散热已经成为硬件设计和整体能效提升的关键瓶颈，而目前行业普遍采用的铜制散热器大约占据全球热管理市场的三分之一，其效率上限正逐步显现为技术发展的约束因素。

胡永杰团队的发现表明，TaN₍θ₎ 在原子尺度上的行为与常规金属存在显著差异。 在这种材料中，钽和氮原子排列成一种六角晶格结构，从而显著削弱了电子与晶格振动（声子）之间的相互作用。 通常情况下，电子–声子和声子–声子散射是限制金属导热能力的主要机制，而在TaN₍θ₎ 中，这些散射过程被大幅抑制，使热能可以在材料中以更小阻力传播。

为验证这一异常高效的热输运行为，研究团队采用了先进的同步辐射X射线散射以及超快光谱等实验手段，对材料在极短时间尺度内的热扩散过程进行了精确测量。 结果证实，这一金属相氮化钽能够以前所未有的效率传导热量，显示出金属导热性能有可能突破传统理论预估上限的趋势。

研究人员认为，这一发现不仅具有基础物理意义，还可能对高性能电子设备、航空航天系统以及对热稳定性要求极高的量子器件设计产生深远影响。 在人工智能加速芯片不断推高功率密度、全球算力需求持续增长、而铜的物理极限愈发明显的背景下，诸如TaN₍θ₎ 等新型金属材料有望为更紧凑、更低温运行的系统架构提供解决方案。 胡永杰将这种材料形容为下一代热管理技术中“在原理上全新且更具优势的替代方案”。

UCLA的这一团队在热功能材料研究领域已深耕近十年。 此前，他们曾发现热导率创纪录的半导体材料砷化硼，并将其集成到氮化镓器件中，用于芯片散热。 如今，随着金属态TaN₍θ₎ 的问世，该团队在半导体之后又补上了金属体系中的关键一环，为未来在电子、能源乃至前沿量子科技领域构建更高效的热管理方案提供了新的材料候选。