Record de conduction thermique avec du nitrure de tantale – Technoguide

Une bouteille thermos a pour tâche de préserver la température – mais parfois vous voulez faire le contraire: les puces informatiques génèrent de la chaleur qui doit être dissipée le plus rapidement possible pour 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 a donc entrepris de trouver le conducteur thermique optimal. Ils ont finalement trouvé ce qu’ils recherchaient 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 ont maintenant été publiés dans la revue scientifique Physical Review Letters.

Electrons et vibrations du réseau

«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 voyagent à travers 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 se déplacent, faisant vaciller d’autres atomes. À 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 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 stoppés 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 dans le matériau – c’est-à-dire des atomes similaires avec différents nombres de neutrons. Dans ce cas, les atomes n’ont pas exactement la même masse, ce qui affecte le comportement vibratoire collectif des atomes du matériau.

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

Le nitrure de tantale, le multitalent

Malgré notre expérience quotidienne de se brûler les mains sur une plaque de métal chaud, les métaux ont généralement une conductivité thermique médiocre. Le métal avec la conductivité thermique la plus élevée connue est l’argent – avec seulement une fraction de la conductivité du diamant, un matériau 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. Presque 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 à l’échelle atomique rendent la phase métallique et supprime 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 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», est convaincu Madsen. “Les puces sont de plus en plus petites et puissantes, donc la chaleur conductrice devient un problème de plus en plus important. Aucun autre matériau ne résout ce problème mieux que le nitrure de tantale en phase?”.

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