Um etwa die Hitze, die bei Betrieb eines Computerchips entsteht, effizient abzuleiten, braucht es Materialien, die das möglichst gut können. Einen neuen Rekordhalter als Wärmeableiter haben laut einer Aussendung vom Mittwoch nun Forscher der Technischen Universität (TU) Wien identifiziert. Dabei handelt es sich um eine spezielle Form von Tantalnitrid, deren Eigenschaften die Wissenschafter im Fachblatt "Physical Review Letters" beschreiben.

Es gebe "zwei Mechanismen, mit denen sich Wärme in einem Material ausbreitet. Erstens durch die Elektronen, die durch das Material wandern und dabei Energie mitnehmen. In Materialien, die gute elektrische Leiter sind, ist das der wesentliche Mechanismus. Und Zweitens durch die Phononen, das sind kollektive Gitterschwingungen der Atome im Material", so Georg Madsen vom Institut für Materialchemie der TU Wien. Hierbei bewegen sich Atome im Verbund und reißen auch andere Atome bewegungstechnisch mit. Für beide Arten der Wärmeweiterleitung gelten aber Einschränkungen.

So können etwa Unregelmäßigkeiten im Material den Effekt bremsen. Das passiert auch, wenn sich dort Isotope eines Elements, die gegenüber dem "normalen" Atom eine andere Neuronenanzahl aufweisen, einschmuggeln. Das kann das kollektive Schwingungsverhalten der Atome bereits erheblich stören, heißt es seitens der TU Wien. "Manche dieser Effekte kann man unterdrücken - aber meist nicht alle gleichzeitig", so Madsen. Als beste Wärmeleiter gelten Diamanten mit ihrem regelmäßigen Kohlenstoffgitter. Die sind aber bekanntlich sehr teuer.

Alternative in sechseckiger Struktur

Zusammen mit Forschern aus China und den USA fanden die TU-Wissenschafter nun eine vielversprechende Alternative. Dabei handelt es sich um das sogenannte Theta-Phase Tantalnitrid. Hier ist das Metall Tantal und Stickstoff in einer sechseckigen Struktur angeordnet. Da Tantal fast immer in einer bestimmten Isotop-Form vorkommt, ist damit ein wichtiger Wärmeleit-Bremser eliminiert.

Weiters wird das Material durch die spezielle atomare Geometrie der Kristallstruktur metallisch. Madsen: "Außerdem werden Wechselwirkungen zwischen den wärmetransportierenden Vibrationen untereinander sowie Wechselwirkungen zwischen ihnen und den Elektronen unterdrückt. Sie hemmen in anderen Materialien die Wärmeleitung."

Diese spezielle Kombination macht Tantalnitrid zu einem vergleichbar guten Wärmetransporteur wie Diamanten. Daher sei das Material für die Chipindustrie ein äußerst vielversprechender Werkstoff, meinen die Wissenschafter.

Service: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.115901