Conducteur thermique record découvert : le nitrure de tantale pourrait révolutionner le refroidissement des puces

En collaboration avec des groupes de Chine et des États-Unis, une équipe de recherche de l'Université technique de Vienne (TU Wien) s'est mise à la recherche du conducteur thermique optimal. Ils l'ont finalement trouvé sous une forme très spécifique de nitrure de tantale — aucun autre matériau métallique connu n'a une conductivité thermique plus élevée. Pour identifier ce matériau record, ils ont d'abord dû analyser quels processus jouent un rôle dans la conduction thermique dans de tels matériaux au niveau atomique.

Deux mécanismes de conduction thermique

« Fondamentalement, il y a deux mécanismes par lesquels la chaleur se propage dans un matériau », a expliqué le Professeur Georg Madsen de l'Institut de chimie des matériaux à TU Wien. « Premièrement, par les électrons qui traversent le matériau, emportant l'énergie avec eux. C'est le mécanisme principal dans les bons conducteurs électriques. Et deuxièmement par les phonons, qui sont des vibrations collectives du réseau dans le matériau. Les atomes bougent, en faisant bouger d'autres atomes. À 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 y a divers processus qui ralentissent cette propagation de l'énergie thermique. Électrons et vibrations du réseau peuvent interagir entre eux, ils peuvent se diffuser, être arrêtés par des irrégularités dans le matériau. Dans certains cas, la conduction thermique peut même être dramatiquement limitée par le fait que différents isotopes d'un élément sont intégrés dans le matériau. Dans ce cas, les atomes n'ont pas exactement la même masse, et cela affecte le comportement vibratoire collectif des atomes.

« Certains de ces effets peuvent être supprimés — mais généralement pas tous en même temps », a dit 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 phase θ : record de conductivité

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 matériau record : le diamant. Mais les diamants sont chers et très difficiles à traiter.

Avec des analyses théoriques élaborées et des simulations informatiques, l'équipe a finalement réussi à identifier un matériau approprié : la phase hexagonale θ du nitrure de tantale. Le tantale est particulièrement favorable car il a à peine différents isotopes. 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 atomique spéciale font que la phase est 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 dit Madsen. « Ces interactions ne sont pas possibles dans ce matériau car elles violeraient la loi de conservation de l'énergie. »

Donc, cette forme de nitrure de tantale combine plusieurs avantages importants, en faisant 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 l'évacuation de la chaleur devient un problème de plus en plus grand. Aucun autre matériau ne résout ce problème mieux que le nitrure de tantale phase θ », a-t-il dit.