Robert Klatt
Das Metallmaterial Theta-Phasen-Tantalnitrid (𝜃-TaN) besitzt eine Wärmeleitfähigkeit, die Kupfer und Silber, die bisherigen Rekordhalter, um das Dreifache übertrifft. Es könnte die Kühlsysteme von Computern stark verbessern und dadurch Rechenzentren für die Künstliche Intelligenz (KI) noch leistungsfähiger machen.
Los Angeles (U.S.A.). Silber und Kupfer haben mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 Watt pro Meter und Kelvin (W/mK) die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Metalle. Die meisten Kühlkörper, etwa für Halbleiterchips, werden deshalb aus ihnen produziert. Angesichts des immer höheren Bedarfs an Rechenleistung, der vor allem durch Künstliche Intelligenz (KI) rapide zunimmt, steigen auch die Anforderungen an die Kühlsysteme der Rechenzentren zunehmend.
„Mit dem rasanten Fortschritt von KI-Technologien stoßen die Anforderungen an die Wärmeableitung konventionelle Metalle wie Kupfer an ihre Leistungsgrenzen, und die starke weltweite Abhängigkeit von Kupfer in Chips und KI-Beschleunigern wird zu einem kritischen Problem.“
In der Physik ist man bisher davon ausgegangen, dass Kupfer und Silber das Limit der Wärmeleitfähigkeit bilden, weil Wechselwirkungen der Elektronen der Metalle mit den Gitterschwingungen eine effizientere Wärmeleitung unmöglich machen. Metallverbindungen mit einer noch besseren Wärmeleitfähigkeit existierten bisher nur theoretisch, wurden aber noch nicht experimentell untersucht.
Forscher der University of California, Los Angeles (UCLA) haben nun ein Metall mit einer noch höheren Wärmeleitfähigkeit, als die von Kupfer und Silber produziert. Die Verbindung aus dem Metall Tantal und Stickstoff bildet normalerweise ein kochsalzähnliches Kristallgitter. Unter bestimmten Bedingungen bildet das Metallmaterial Theta-Phasen-Tantalnitrid (𝜃-TaN) aber eine hexagonale Gitterstruktur.
„In dieser bilden Tantal und Stickstoffatome einander durchdringende kovalente Bindungsnetze.“
Die Wissenschaft konnte Theta-Phasen-Tantalnitrid bisher nur unter Hochdruck, bei extrem hohen Temperaturen erzeugen. Den Forschern der UCLA ist es gelungen, diese extremen Bedingungen zu umgehen, indem sie Tantaloxide in eine Stickstoffatmosphäre eingebracht und geschmolzenes Natrium als Reduktions- und Umwandlungshelfer hinzugegeben haben. Die sogenannte Flux-assistierte Reaktion hat einen Tantalnitridkristall produziert, dessen Gitter die Theta-Phasen-Konfiguration besitzt.
Experimente zur Wärmeleitfähigkeit des Materials bei Raumtemperatur zeigen, dass es unabhängig von der Ausrichtung des Kristalls Silber und Kupfer fast um das Dreifache übertrifft.
„Wir haben eine Wärmeleitfähigkeit von 1.100 (W/mK) bei Raumtemperatur gemessen. Das ist der höchste je bei einem metallischen Material ermittelte Wert.“
Laut weiteren Analysen des Metallmaterials ist seine Wärmeleitfähigkeit so hoch, weil es in seinem Atomgitter kaum zu Wechselwirkungen zwischen den Elektronen und den bosonischen Quasiteilchen (Phononen), die durch die Gitterschwingungen entstehen, kommt. Die Streueffekte sind dadurch deutlich geringer als in anderen Metallen und die Wärme kann effizienter transportiert werden.
„Unsere Forschung zeigt, dass Tantalnitrid in der Theta-Phase eine grundlegend neue und überlegene Alternative zur Erreichung einer höheren Wärmeleitfähigkeit sein könnte und dazu beitragen kann, das Design von Wärmematerialien der nächsten Generation zu steuern.“
Die Wissenschaftler erklären, dass das Theta-Phasen-Tantalnitrid neue technische Möglichkeiten eröffnet. Es könnte unter anderem eingesetzt werden, um Rechenzentren für KI besser zu kühlen, aber auch im Energiesektor und in der Luft- und Raumfahrtbranche.
„Durch seine Kombination von metallischer Natur und extrem hoher Wärmeleitfähigkeit könnte 𝜃-TaN künftige Wärmeableitungs-Technologien revolutionieren.“
Quellen:
Pressemitteilung der University of California, Los Angeles (UCLA)
Studie im Fachmagazin Science, doi: 10.1126/science.aeb1142
