Un matériau de conduction thermique record permettra d'économiser des puces informatiques

En collaboration avec des groupes de Chine et des États-Unis, une équipe de recherche de TU Wien a entrepris de trouver le conducteur de chaleur optimal. Ils ont finalement trouvé ce qu'ils cherchaient 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.

"Fondamentalement, il existe deux mécanismes par lesquels la chaleur se propage dans un matériau", a expliqué le professeur Georg Madsen de l'Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. "Premièrement, à travers les électrons qui traversent 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 bougent, 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 complètement 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 arrêtés 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 au matériau. Dans ce cas, les atomes n'ont pas exactement la même masse, ce qui affecte le comportement vibratoire collectif des atomes.

"Certains de ces effets peuvent être supprimés - mais généralement pas tous en même temps", a déclaré Madsen. "C'est comme jouer à Whack-A-Mole :vous résolvez un problème, et en même temps un nouveau surgit ailleurs."

Les métaux ont généralement une conductivité thermique médiocre. Le métal avec la conductivité thermique connue la plus élevée est l'argent - avec seulement une fraction de la conductivité du matériau détenteur du record :le diamant. 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'a pratiquement pas d'isotopes différents. Près de 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 elle 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", a déclaré 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 l'argent et comparable au diamant. Selon Madsen, le nitrure de tantale est un matériau très prometteur pour l'industrie des puces. "Les puces deviennent plus petites et plus puissantes, donc la conduction de la chaleur devient un problème de plus en plus important. Aucun autre matériau ne résout mieux ce problème que le nitrure de tantale en phase θ", a-t-il déclaré.