Postęp w elektronice od lat rozbija się o tę samą, wyjątkowo przyziemną przeszkodę – ciepło, którego nie mamy już gdzie upchnąć. Coraz gęściej upakowane tranzystory, procesory o zapotrzebowaniu na moc liczonej w setkach watów i centra danych zużywające tyle energii co małe państwo, wspólnie świadczą o tym, że tradycyjne chłodzenie przestaje nadążać. Właśnie w tym momencie na scenę wchodzi zespół naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, proponując światu materiał, który przewodzi ciepło niemal trzykrotnie lepiej niż miedź, a przy tym utrzymuje formę metalu, a nie egzotycznego izolatora czy kruchego półprzewodnika.
Azotek tantalu w fazie theta i jego rekordowe przewodnictwo cieplne
Materiałem, który wstrząsnął podstawami inżynierii termicznej, jest azotek tantalu w specyficznej fazie, bo fazie theta. Był dotąd traktowany głównie jako ciekawostka laboratoryjna, ale oto właśnie wykazał zdumiewające przewodnictwo cieplne na poziomie około 1100 watów na metr-kelwin. Dla porównania, miedź, a więc obecny przemysłowy standard, osiąga zaledwie 400 W/mK, a srebro plasuje się na podobnym, nieco niższym pułapie.
Czytaj też: Szwajcarzy znaleźli klucz do stabilności akumulatorów ze stałym elektrolitem
Skala tego osiągnięcia uwidacznia się, gdy spojrzy się na rynek. Miedź odpowiada za blisko jedną trzecią wszystkich komercyjnych materiałów używanych do zarządzania temperaturą. Jest wszechobecna w radiatorach procesorów, systemach chłodzenia serwerów i klimatyzacji centrów danych. Wokół tego metalu zbudowano całą globalną infrastrukturę produkcyjną, ale oto nagle okazuje się, że istnieje substancja mogąca zaoferować znacznie więcej.
Na tle dotychczasowych gwiazd w świecie przewodnictwa cieplnego azotek tantalu wyróżnia się w kilku kluczowych aspektach. Do tej pory rekordy biły przede wszystkim materiały niemetaliczne, bo diament czy arsenek boru, a więc te charakteryzujące się niezwykle uporządkowaną strukturą i silnymi wiązaniami atomowymi. Są one jednak trudne i kosztowne w produkcji, często kłopotliwe w obróbce oraz wymagają skomplikowanych procesów integracji z elektroniką. Theta-faza azotku tantalu jest pod tym względem wyjątkowa, bo łączy bardzo wysokie przewodnictwo cieplne z metalicznym charakterem, co otwiera drogę do znacznie prostszych, bardziej przemysłowych zastosowań.
Ten niestandardowy zestaw cech nie bez powodu przyciąga uwagę inżynierów. Zamiast budować złożone kompozyty lub stosować cienkie warstwy egzotycznych kryształów, można zapewnić sobie elementy chłodzące oparte na metalu, który da się frezować, lutować i integrować podobnie jak miedź, a jednocześnie oferuje zupełnie inną klasę parametrów termicznych. Oczywiście to dopiero wizja, ale już dziś widać, że nowe materiały metaliczne mogą odebrać prym dotychczasowym, bardziej laboratoryjnym rekordzistom.
Dlaczego to odkrycie może sporo namieszać?
Efektywność odprowadzania ciepła ma fundamentalne znaczenie dla możliwości całej elektroniki. Lepsze chłodzenie przekłada się bezpośrednio na wyższe taktowania procesorów, możliwość upakowania większej liczby tranzystorów na układzie oraz projektowanie mniejszych urządzeń. Co równie ważne, oznacza to również niższe zużycie energii, ponieważ systemy nie marnują jej na walkę z przegrzewaniem, pracując w optymalnych temperaturach.
W miarę szybkiego postępu, zapotrzebowanie na rozpraszanie ciepła spycha konwencjonalne metale, takie jak miedź, do granic ich wydajności, a silne globalne uzależnienie od miedzi w chipach i akceleratorach sztucznej inteligencji staje się krytycznym problemem. Nasze badania pokazują, że azotek tantalu w fazie theta może być fundamentalnie nową i lepszą alternatywą dla osiągnięcia wyższego przewodnictwa cieplnego i może pomóc w projektowaniu materiałów termicznych nowej generacji. – Yongjie Hu, profesor UCLA.
Sekret tkwi w unikalnej strukturze atomowej azotku tantalu
W klasycznych metalach transport ciepła jest kompromisem między ruchem elektronów a drganiami sieci krystalicznej. Im więcej defektów, domieszek i przypadkowych zderzeń, tym większe straty energii i tym gorsze przewodnictwo cieplne. W theta-fazie azotku tantalu układ atomów tworzy strukturę, w której te niekorzystne interakcje zostają ograniczone do minimum. Heksagonalny porządek atomów sprzyja temu, by fonony i elektrony współpracowały zamiast sobie przeszkadzać. Energia cieplna może przemieszczać się wzdłuż wyraźnie zdefiniowanych kierunków krystalograficznych, co przypomina dobrze zaprojektowaną sieć autostrad, a nie zatkane skrzyżowania w godzinach szczytu.
Czytaj też: Więcej darmowego prądu. Szwedzi pokazali, że panele słoneczne muszą leżeć na dachu
W klasycznych metalach te ciągłe zderzenia powodują straty energii i spowalniają przepływ ciepła. W nowym materiale ten proces jest wyjątkowo wydajny, pozwalając energii termicznej przemieszczać się niemal bez oporów. Naukowcy potwierdzili tę strukturę i właściwości za pomocą zaawansowanych technik, a w tym rozpraszania promieniowania rentgenowskiego z synchrotronu oraz ultraszybkiej spektroskopii optycznej. Wszystkie pomiary zgodnie wskazywały na transport ciepła o niespotykanej dotąd wydajności.
Warto na chwilę zatrzymać się przy pozornie prostym pytaniu: skoro mówimy o metalu, który tak dobrze przewodzi ciepło, to czy automatycznie oznacza to także rekordowe przewodnictwo elektryczne. W szkolnych uproszczeniach uczymy się przecież, że w metalach za transport ładunku i ciepła odpowiadają te same elektrony, więc im lepszy przewodnik prądu, tym lepszy przewodnik ciepła. Rzeczywistość jest jednak znacznie bardziej złożona.
W klasycznych metalach, takich jak miedź czy srebro, przyzwyczailiśmy się do dość stabilnego kompromisu. Elektrony poruszają się swobodnie, ale po drodze natrafiają na rozmaite przeszkody: domieszki innych pierwiastków, defekty sieci, granice ziaren, a przede wszystkim termiczne drgania atomów. Każde takie zderzenie oznacza stratę energii i mniejszą sprawność przewodzenia. Gdy podnosimy temperaturę, rośnie intensywność drgań sieci krystalicznej, a tym samym rośnie też opór, zarówno elektryczny, jak i cieplny. Dlatego w praktyce projektanci elektroniki zazwyczaj godzą się z tym, że pewnych barier przewodnictwa termicznego zwyczajnie nie da się przeskoczyć bez zmiany samego materiału.
Azotek tantalu w fazie theta wybija się z tego schematu na kilku poziomach naraz. Z jednej strony wciąż jest metalem, a więc korzysta z przewodnictwa elektronowego, co ułatwia jego potencjalną integrację z istniejącymi strukturami. Z drugiej strony jego sieć krystaliczna jest ułożona w sposób, który ogranicza niekorzystne zderzenia między elektronami a fononami, czyli kwantami drgań sieci. Można to sobie wyobrazić jak system dróg, w którym ruch samochodów i autobusów nie wchodzi sobie w drogę, lecz jest rozdzielony na dobrze zaprojektowane pasy. Elektrony nadal niosą ładunek i energię, ale nie są tak skutecznie wyhamowywane przez chaos termicznych drgań jak w klasycznych metalach.
Ten efekt ma jeszcze jedną ważną konsekwencję z punktu widzenia inżynierii. W wielu materiałach poprawa przewodnictwa cieplnego odbywa się kosztem innych właściwości, takich jak stabilność mechaniczna, odporność na wysokie temperatury czy łatwość obróbki. Tutaj badacze pokazują, że można zbudować metal, który nie tylko zachowuje typowe zalety materiałów metalicznych, lecz dodatkowo osiąga parametry cieplne zarezerwowane do tej pory raczej dla egzotycznych kryształów. Właśnie ta kombinacja cech sprawia, że theta faza azotku tantalu interesuje nie tylko fizyków ciała stałego, ale także inżynierów projektujących chłodzenie procesorów, układy mocy i urządzenia pracujące w ekstremalnych warunkach.
Potencjalne zastosowania od elektroniki po komputery kwantowe
Chociaż wyniki uzyskane przez zespół profesora Hu robią ogromne wrażenie, to najtrudniejsza część dopiero przed nami. Azotek tantalu w fazie theta to nie jest materiał, który można ot tak wprowadzić na linię produkcyjną jutro rano. Tantal sam w sobie jest pierwiastkiem relatywnie rzadkim, wykorzystywanym już dziś w przemyśle elektronicznym i lotniczym, co rodzi pytania o dostępność zasobów, stabilność łańcuchów dostaw oraz koszty. Do tego dochodzi konieczność opracowania procesów wytwarzania na dużą skalę, zapewnienia powtarzalnej jakości kryształów oraz sprawdzenia, jak materiał zachowuje się w realnych warunkach pracy przez całe lata.
Czytaj też: Perowskit wreszcie dorównał krzemowi. Wytrzymał próbę ognia i słońca
Nawet jeśli azotek tantalu nie trafi wprost do radiatorów w naszych komputerach osobistych, to sam fakt jego odkrycia pokazuje coś ważnego. Udowadnia bowiem, że granice przewodnictwa cieplnego w metalach nie są tak nieprzekraczalne, jak dotąd sądzono i że w obrębie znanych już pierwiastków i związków wciąż kryją się kombinacje o właściwościach, które potrafią zaskoczyć doświadczonych fizyków materiałowych. Z perspektywy użytkownika końcowego ta historia może jednak wyglądać abstrakcyjnie, bo to ot, kolejny “rekord z laboratorium”. W rzeczywistości mówimy jednak o jednym z niewielu kierunków badań, które mogą realnie przesądzić o tym, czy za dekadę wciąż będziemy w stanie zwiększać moc obliczeniową komputerów, trenować coraz większe modele SI i rozwijać komputery kwantowe, rozwiązując problem przegrzewania się elektroniki.