Neuer Rekord: Dieses Metall leitet Wärme besser als jedes andere

In der modernen Technik stellt die effiziente Abfuhr von Wärme eine der größten Herausforderungen dar. Ob in Smartphones, Hochleistungsrechnern oder industriellen Lasersystemen – elektronische Bauteile erzeugen bei Betrieb Energie, die sich als Hitze staut und die Leistungsfähigkeit sowie Lebensdauer der Geräte massiv beeinträchtigen kann. Während herkömmliche Metalle wie Kupfer oder Silber zwar gute Leiter sind, stoßen sie bei der extremen Miniaturisierung und den Anforderungen der nächsten Generation von Halbleitern zunehmend an ihre physikalischen Grenzen. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der University of California, Los Angeles (UCLA), hat nun jedoch einen Durchbruch erzielt. Durch die Entwicklung eines neuen metallischen Materials auf Basis von Tantalnitrid wurde ein Rekordwert in der Wärmeleitfähigkeit erreicht, der bisherige Annahmen über die thermischen Eigenschaften von Metallen grundlegend infrage stellt. Dieses Material könnte die Art und Weise, wie wir Hitze in technischen Systemen kontrollieren, nachhaltig verändern.

Die physikalischen Barrieren der Wärmeübertragung

Um zu verstehen, warum dieser Fund so bedeutend ist, muss man die Arbeit betrachten, wie Wärme in Festkörpern transportiert wird. In Metallen geschieht dies normalerweise primär durch die Bewegung freier Elektronen. Es gibt jedoch noch einen zweiten Mechanismus: die Schwingungen des Kristallgitters, die in der Physik als Phononen bezeichnet werden. Bei den meisten Metallen ist der Beitrag dieser Phononen zur gesamten Wärmeleitfähigkeit eher gering, da sie durch Interaktionen mit den Elektronen gestreut und somit gebremst werden. Das Team um den Materialwissenschaftler Yongjie Hu suchte gezielt nach einem Weg, diese Streuprozesse zu minimieren. Sie kombinierten theoretische Vorhersagen aus der Quantenmechanik mit praktischen Experimenten unter extremem Druck, um eine spezifische Struktur von Tantalnitrid zu erzeugen. Das Ergebnis ist ein Material, bei dem die Gitterwellen fast ungehindert fließen können, was zu einer Leitfähigkeit führt, die herkömmliche Metalle wie Stahl oder Platin um ein Vielfaches übertrifft.

Ein neuer Rekordhalter aus dem Labor

Die Messwerte, die das Team präsentierte, sind für die Fachwelt beeindruckend. Das neu synthetisierte Tantalnitrid leitet Wärme etwa dreimal so gut wie die bisher in diesem Bereich führenden Tantalverbindungen. Es erreicht Werte, die bisher fast ausschließlich bei sehr teuren oder schwer zu verarbeitenden Nichtmetallen wie Diamant oder Bornitrid beobachtet wurden. Ein entscheidender Faktor für diesen Erfolg war die gezielte Beeinflussung der Isotope im Material, um eine möglichst homogene Kristallstruktur zu schaffen. Yongjie Hu betont die Bedeutung dieser Entdeckung für die Grundlagenforschung und die Anwendung gleichermaßen: „Diese Arbeit zeigt einen Weg auf, wie man durch das Verständnis der Kopplung von Elektronen und Phononen die thermischen Grenzen von Materialien verschieben kann.“ Das Besondere an dieser Entdeckung ist, dass es sich um ein Material handelt, das nicht nur Hitze hervorragend leitet, sondern auch die typischen robusten Eigenschaften eines Metalls beibehält. Dies macht es für industrielle Fertigungsprozesse weitaus attraktiver als spröde Keramiken oder extrem kostspielige Edelsteine.

Besonders geeignet für Halbleiter

Die praktischen Anwendungen für ein solches Rekordmaterial sind vielfältig und könnten besonders in der Halbleiterindustrie für einen Innovationsschub sorgen. Da Computerchips immer kleiner und gleichzeitig leistungsfähiger werden, konzentriert sich die entstehende Hitze auf immer engerem Raum. Wenn diese Wärme nicht schnell genug abgeführt wird, drosseln die Systeme ihre Geschwindigkeit oder nehmen dauerhaft Schaden. Das neue Tantalnitrid könnte als sogenannte Wärmespreizschicht direkt in die Architektur von Mikrochips integriert werden, um die thermische Belastung zu senken. Aber auch in der Optoelektronik oder bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen, wo Batterien und Leistungselektronik unter hoher Last stehen, bietet das Material neue Lösungsansätze. Die Forschenden sind optimistisch, dass ihre Erkenntnisse erst der Anfang einer neuen Klasse von Hochleistungsmaterialien sind. Laut Hu eröffnet die Entdeckung „spannende Möglichkeiten, um die nächste Generation von Mikroelektronik zu kühlen und die Energieeffizienz weltweit zu verbessern.“ Bis zur Massenfertigung sind zwar noch weitere Optimierungen der Syntheseprozesse nötig, doch der wissenschaftliche Grundstein für eine kühlere technologische Zukunft ist damit gelegt.

via UCLA