これまでにない熱伝導率を実現した金属素材

0.1 ～ 10 ピコ秒間持続する光パルスの後に、電子によって運ばれる熱エネルギーがシータ相窒化タンタル内でどのように伝播するかを示すシーケンス。 )(ALCU) セレグナ・ソル、アインロフィラク・フォイティスレビン(写真: ©

金属材料はシータ相窒化タンタル（𝜃-TaN) は、これまでの記録保持者である銅や銀よりも 3 倍高い熱伝導率を持っています。これにより、コンピューターの冷却システムが大幅に改善され、人工知能 (AI) 用のデータセンターがさらに強力になる可能性があります。

ロサンゼルス（アメリカ）。 銀と銅はすべての金属の中で最も熱伝導率が高く、熱伝導率は約 400 ワット/メートルおよびケルビン (W/mK) です。したがって、半導体チップなどのほとんどのヒートシンクはそれらから作られています。特に人工知能 (AI) のおかげで急速に増加しているコンピューティング能力に対する需要が増え続けることを考慮して、データセンターの冷却システムに対する需要も増加しています。

「AI技術が急速に進歩するにつれて、銅などの従来の金属の放熱要件は性能限界に達しつつあり、チップやAIアクセラレータにおける銅への世界的な依存度が重大な問題になりつつあります。」

物理学では、金属の電子と格子振動の相互作用により、より効率的な熱伝導が不可能になるため、銅と銀が熱伝導率の限界であるとこれまで想定されてきました。さらに優れた熱伝導率を備えた金属化合物は、これまで理論的にのみ存在しており、実験的にはまだ研究されていません。

シータ相窒化タンタル (𝜃-TaN) は最も高い熱伝導率を持っています

カリフォルニア大学ロサンゼルス校 (UCLA) の研究者らは、銅や銀よりもさらに高い熱伝導率を持つ金属を製造した。金属タンタルと窒素の組み合わせは、通常、食塩と同様の結晶格子を形成します。ただし、特定の条件下では、金属材料であるシータ相窒化タンタル (𝜃-TaN) は六方格子構造を形成します。

「この場合、タンタル原子と窒素原子が相互浸透する共有結合ネットワークを形成します。」

これまで、科学は高圧および極度の高温下でのみシータ相窒化タンタルを生成できました。 UCLAの研究者らは、タンタル酸化物を窒素雰囲気中に置き、還元および変換助剤として溶融ナトリウムを添加することで、これらの極限状態を回避することに成功した。いわゆるフラックス補助反応により、格子がシータ相構造を持つ窒化タンタル結晶が生成されました。

室温での熱伝導率

室温での材料の熱伝導率に関する実験では、結晶の方向に関係なく、銀や銅よりもほぼ 3 倍優れていることが示されています。

「室温での熱伝導率は1,100（W/mK）を測定しました。これは金属材料としてはこれまでに測定された最高値です。」

この金属材料のさらなる分析によると、その原子格子内には電子と格子振動によって生成されるボソン準粒子（フォノン）との間の相互作用がほとんどないため、その熱伝導率は非常に高いことがわかります。したがって、散乱効果は他の金属よりも大幅に低く、熱はより効率的に輸送されます。

「私たちの研究は、シータ相の窒化タンタルが、より高い熱伝導率を達成するための根本的に新しく優れた代替品となる可能性があり、次世代の熱材料の設計の指針となる可能性があることを示しています。」

科学者らは、シータ相窒化タンタルが新たな技術的可能性を開くと説明しています。とりわけ、AI 用のデータセンターの冷却を改善するために使用できる可能性があるだけでなく、エネルギー部門や航空宇宙産業でも使用できます。

「金属の性質と非常に高い熱伝導率の組み合わせにより、𝜃-TaN は将来の放熱技術に革命をもたらす可能性があります。」

出典:

からのプレスリリース カリフォルニア大学ロサンゼルス校 (カリフォルニア大学ロサンゼルス校)

専門誌で学ぶ 科学、土井: 10.1126/science.aeb1142

#これまでにない熱伝導率を実現した金属素材