Forscher der UCLA Samueli School of Engineering haben bekannt gegeben, dass eine metallische Verbindung namens Theta-Phase-Tantalnitrid (TaN₍θ₎) die höchste jemals gemessene Wärmeleitfähigkeit aller Metalle aufweist. Messungen zufolge bietet TaN₍θ₎ eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1.100 W/mK. Dieser Wert entspricht fast dem Dreifachen von Kupfer, das derzeit das Rückgrat kommerzieller Kühllösungen bildet.
Kupfer ist nicht mehr der beste Wärmeleiter
Zum Vergleich: Kupfer bietet eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 W/mK, während Silber unter idealen Bedingungen ähnliche Werte erreicht. Laut Forschungsleiter Yongjie Hu verhält sich Theta-Phase-Tantalnitrid auf atomarer Ebene anders als herkömmliche Metalle. Die Anordnung von Tantal- und Stickstoffatomen in einer hexagonalen Gitterstruktur reduziert die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Gitterschwingungen (Phononen) deutlich. Dies minimiert die Elektron-Phonon- und Phonon-Phonon-Kollisionen, die den Wärmefluss normalerweise begrenzen.
Die Ergebnisse wurden durch fortschrittliche Messtechniken wie synchrotronbasierte Röntgenstreuung und ultraschnelle optische Spektroskopie bestätigt. Die Experimente zeigen, dass Wärme fast widerstandslos durch das Material transportiert wird. Diese Entdeckung ist besonders wichtig für Prozessoren mit hohem Stromverbrauch, GPUs und KI-Beschleuniger.
Während derzeit etwa ein Drittel des weltweiten Wärmemanagementmarktes auf Kupferlösungen basiert, machen steigende Leistungsdichten die physikalischen Grenzen von Kupfer immer deutlicher sichtbar. Materialien der nächsten Generation wie TaN₍θ₎ könnten den Weg für kompaktere und kühler laufende Hardware ebnen.
Hus Team hatte zuvor bereits den Halbleiter Borarsenid mit Rekord-Wärmeleitfähigkeit entdeckt und in GaN-basierten Chips eingesetzt. Theta-Phase-Tantalnitrid ist nun das metallische Gegenstück zu diesen Arbeiten und könnte der stärkste Kandidat sein, um Kupfer in künftigen thermischen Managementlösungen zu ersetzen.
