Gemeinsam mit Forschungsgruppen aus China und den USA suchte ein Team der TU Wien nach dem optimalen Wärmeleiter für Elektronik. Fündig wurden die Forscher schließlich bei einer bestimmten Form von Tantalnitrid – kein anderes bekanntes metallisches Material hat einen höheren Wärmeleitwert.
Entscheidende Effekte bei der Wärmeleitung
Um das Rekord-Material zu identifizieren, musste das Team zunächst analysieren, welche Prozesse auf atomarer Ebene für die Wärmeleitung in solchen Materialien eine Rolle spielen.
„Grundsätzlich gibt es zwei Mechanismen, mit denen sich Wärme in einem Material ausbreitet“, erklärt Prof. Georg Madsen vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „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.“
Die Atome bewegen sich und bringen damit auch andere Atome zum Wackeln. Bei höheren Temperaturen ist die Wärmeleitung durch Fortpflanzung der Schwingungen meist der entscheidende Effekt. Doch weder die Elektronen, noch die Gitterschwingungen können sich völlig ungehindert durch das Material ausbreiten. Es gibt verschiedene Prozesse, die diese Ausbreitung von Wärmeenergie bremsen.
So können Elektronen und Gitterschwingungen miteinander wechselwirken, aneinander streuen oder von Unregelmäßigkeiten im Material aufgehalten werden. In manchen Fällen kann die Wärmeleitung sogar dadurch eingeschränkt werden, dass verschiedene Isotope eines Elements ins Material eingebaut sind. In dem Fall haben die Atome nicht exakt die gleiche Masse, und das beeinflusst das kollektive Schwingungsverhalten der Atome im Material.
„Manche dieser Effekte kann man unterdrücken – aber meist nicht alle gleichzeitig“, sagt Madsen. „Es ist wie beim Whac-A-Mole-Spielen: Man löst ein Problem, und gleichzeitig ergibt sich anderswo ein neues.“
Alleskönner Tantalnitrid
Metalle sind typischerweise nur mittelmäßige Wärmeleiter. Das Metall mit der höchsten bekannten Wärmeleitfähigkeit ist Silber: Es leitet Wärme aber immer noch viel schlechter als der Rekordhalter Diamant. Diamanten sind allerdings teuer und sehr schwer zu verarbeiten.
In Wien ist nun mittels theoretischer Analysen und Computersimulationen ein anderes Material identifiziert worden: das sogenannte θ-Phase-Tantalnitrid. Es besteht aus dem Metall Tantal und Stickstoff, angeordnet in einer sechseckigen Struktur. Tantal ist deshalb besonders günstig, weil es kaum unterschiedliche Isotope davon gibt. Bei fast 99,99 Prozent des natürlich vorkommenden Tantals handelt es sich um das Isotop Tantal 181; andere Varianten sind sehr selten.
„Durch die Kombination mit Stickstoff und durch die spezielle atomare Geometrie der Kristallstruktur wird das Material metallisch“, erklärt 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 Wechselwirkungen seien in θ-Phase-Tantalnitrid nicht möglich, weil sie gegen das Gesetz der Energieerhaltung verstoßen würden. Daher vereint diese Form von Tantalnitrid mehrere wichtige Vorteile und wird dadurch zum Rekordhalter in Sachen Wärmeleitfähigkeit: Sie beträgt laut den Forschern ein Mehrfaches von Silber und ist vergleichbar mit der von Diamant.
„Für die Chipindustrie ist Tantalnitrid ein äußerst vielversprechendes Material“, ist Madsen überzeugt. „Chips werden immer kleiner und leistungsfähiger, das Abtransportieren von Hitze wird daher ein immer größeres Problem. Kein anderes Material löst dieses Problem besser als θ-Phase-Tantalnitrid.“
