Registro de conducción de calor con nitruro de tantalio

31 de marzo de 2021

por la Universidad Tecnológica de Viena

Una botella termo tiene la función de conservar la temperatura, pero a veces se quiere lograr lo contrario: los chips de computadora generan calor que debe disiparse lo más rápido posible para que el chip no se destruya. Esto requiere materiales especiales con propiedades de conducción de calor particularmente buenas.

En colaboración con grupos de China y Estados Unidos, un equipo de investigación de TU Wien se dispuso a encontrar el conductor de calor óptimo. Finalmente encontraron lo que estaban buscando en una forma muy específica de nitruro de tantalio: ningún otro material metálico conocido tiene una conductividad térmica más alta. Para poder identificar este material récord, primero tuvieron que analizar qué procesos juegan un papel en la conducción de calor en dichos materiales a nivel atómico. Los resultados ahora se han publicado en la revista científica Physical Review Letters.

"Básicamente, existen dos mecanismos por los cuales el calor se propaga en un material", explica el profesor Georg Madsen del Instituto de Química de Materiales de TU Wien. "En primer lugar, a través de los electrones que viajan a través del material, llevándose energía con ellos. Este es el principal mecanismo de los buenos conductores eléctricos. Y en segundo lugar, a través de los fonones, que son vibraciones reticulares colectivas en el material". Los átomos se mueven, haciendo que otros átomos se tambaleen. A temperaturas más altas, la conducción de calor a través de la propagación de estas vibraciones suele ser el efecto decisivo.

Pero ni los electrones ni las vibraciones de la red pueden propagarse completamente sin obstáculos a través del material. Existen varios procesos que ralentizan esta propagación de la energía térmica. Los electrones y las vibraciones de la red pueden interactuar entre sí, pueden dispersarse, pueden ser detenidos por irregularidades en el material.

En algunos casos, la conducción de calor puede incluso verse drásticamente limitada por el hecho de que diferentes isótopos de un elemento están integrados en el material, es decir, átomos similares con diferente número de neutrones. En ese caso, los átomos no tienen exactamente la misma masa, y esto afecta el comportamiento vibratorio colectivo de los átomos en el material.

"Algunos de estos efectos se pueden suprimir, pero por lo general no todos al mismo tiempo", dice Georg Madsen. "Es como jugar a Whack-A-Mole: resuelves un problema y, al mismo tiempo, surge uno nuevo en otro lugar".

A pesar de nuestra experiencia diaria de quemarnos las manos con una placa de metal caliente, los metales suelen tener una conductividad térmica mediocre. El metal con la conductividad térmica más alta conocida es la plata, con solo una fracción de la conductividad del diamante, material récord. Pero los diamantes son caros y muy difíciles de procesar.

Con elaborados análisis teóricos y simulaciones por computadora, el equipo finalmente logró identificar un material adecuado: la fase θ hexagonal del nitruro de tantalio. El tantalio es particularmente favorable porque apenas hay isótopos diferentes. Casi el 99,99% del tantalio natural es el isótopo tantalio 181, apenas se producen otras variantes.

"La combinación con el nitrógeno y la geometría de escala atómica especial hacen que la fase sea metálica y suprime las interacciones de las vibraciones portadoras de calor con otras vibraciones y con los electrones conductores. Son exactamente esas interacciones las que inhiben la conducción de calor en otros materiales", dice Georg. Madsen. "Estas interacciones no son posibles en este material porque violarían la ley de conservación de la energía".

Por lo tanto, esta forma de nitruro de tantalio combina varias ventajas importantes, lo que lo convierte en un material sin precedentes con una conductividad térmica varias veces mayor que la plata y comparable al diamante.

"Para la industria de los chips, el nitruro de tantalio es un material muy prometedor", está convencido Madsen. "Los chips son cada vez más pequeños y potentes, por lo que la conducción del calor se está convirtiendo en un problema cada vez mayor. Ningún otro material resuelve este problema mejor que el nitruro de tantalio en fase θ".

Más información: Ashis Kundu et al. Conductividad térmica ultraalta de nitruro de tantalio en fase θ, Cartas de revisión física (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.115901

Información del diario:Cartas de revisión física

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