Um etwa die Hitze, die bei Betrieb eines Computerchips entsteht, effizient abzuleiten, braucht es passende Materialien. Einen neuen Rekordhalter als Wärmeableiter haben nun Forscher der Technischen Universität (TU) Wien identifiziert. Dabei handelt es sich um eine spezielle Form von Tantalnitrid, deren Eigenschaften die Wissenschafter im Fachblatt "Physical Review Letters" beschreiben.

"Es gibt zwei Mechanismen, mit denen sich Wärme in einem Material ausbreitet. Erstens durch die Elektronen, die durch das Material wandern und dabei Energie mitnehmen. In Materialien, die gute elektrische Leiter sind, ist das der wesentliche Mechanismus. Und zweitens durch die Phononen, das sind kollektive Gitterschwingungen der Atome im Material", sagte Georg Madsen vom Institut für Materialchemie der TU Wien. Hierbei bewegen sich Atome im Verbund und reißen auch andere Atome bewegungstechnisch mit. Für beide Arten der Wärmeweiterleitung gelten aber Einschränkungen.

Ähnlich gut wie Diamanten

So können etwa Unregelmäßigkeiten im Material den Effekt bremsen. Das passiert auch, wenn sich dort Isotope eines Elements, die gegenüber dem "normalen" Atom eine andere Neutronenanzahl aufweisen, einschmuggeln. Das kann das kollektive Schwingungsverhalten der Atome bereits erheblich stören, heißt erklärte Madsen. "Manche dieser Effekte kann man unterdrücken – aber meist nicht alle gleichzeitig." Als beste Wärmeleiter gelten Diamanten mit ihrem regelmäßigen Kohlenstoffgitter. Die sind aber bekanntlich sehr teuer.

Zusammen mit Forschern aus China und den USA fanden die Wiener Wissenschafter nun eine vielversprechende Alternative. Dabei handelt es sich um das sogenannte Theta-Phase Tantalnitrid. Dabei ist das Metall Tantal und Stickstoff in einer sechseckigen Struktur angeordnet. Da es von Tantal kaum unterschiedliche Isotope gibt, ist es besonders gut geeignet: Bei fast 99,99 Prozent des natürlich vorkommenden Tantals handelt es sich um das Tantal 181.

Weiters wird das Material durch die spezielle atomare Geometrie der Kristallstruktur metallisch. Madsen: "Außerdem werden Wechselwirkungen zwischen den wärmetransportierenden Vibrationen untereinander sowie Wechselwirkungen zwischen ihnen und den Elektronen unterdrückt. Sie hemmen in anderen Materialien die Wärmeleitung."

Diese spezielle Kombination macht Tantalnitrid zu einem vergleichbar guten Wärmetransporteur wie Diamanten. Daher sei das Material für die Chipindustrie ein äußerst vielversprechender Werkstoff, meinen die Wissenschafter. (red, APA, 1.4.2021)