Condutor de Calor Recorde Descoberto: Nitreto de Tântalo Poderia Revolucionar Resfriamento de Chips

Em colaboração com grupos da China e Estados Unidos, uma equipe de pesquisa da TU Wien partiu para encontrar o condutor de calor ideal. Eles finalmente encontraram o que procuravam em uma forma muito específica de nitreto de tântalo — nenhum outro material metálico conhecido tem condutividade térmica mais alta. Para identificar este material recorde, primeiro tiveram que analisar quais processos desempenham um papel na condução de calor em tais materiais no nível atômico.

"Basicamente, existem dois mecanismos pelos quais o calor se propaga em um material", explicou o Professor Georg Madsen do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. "Primeiro, através dos elétrons que viajam pelo material, levando energia com eles. Este é o mecanismo principal em bons condutores elétricos. E segundo através dos fônons, que são vibrações de rede coletivas no material." Os átomos se movem, fazendo outros átomos oscilarem. Em temperaturas mais altas, a condução de calor através da propagação dessas vibrações é geralmente o efeito decisivo.

Mas nem os elétrons nem as vibrações de rede podem se propagar completamente sem obstáculos pelo material. Existem vários processos que retardam esta propagação de energia térmica. Elétrons e vibrações de rede podem interagir entre si, podem se dispersar, podem ser parados por irregularidades no material. Em alguns casos, a condução de calor pode até ser dramaticamente limitada pelo fato de que diferentes isótopos de um elemento são incorporados no material. Nesse caso, os átomos não têm exatamente a mesma massa, e isso afeta o comportamento vibracional coletivo dos átomos.

"Alguns desses efeitos podem ser suprimidos — mas geralmente não todos ao mesmo tempo", disse Madsen. "É como jogar Whack-A-Mole: você resolve um problema, e ao mesmo tempo um novo surge em outro lugar."

Metais tipicamente têm condutividade térmica mediana. O metal com a condutividade térmica mais alta conhecida é a prata — com apenas uma fração da condutividade do material recordista: diamante. Mas diamantes são caros e muito difíceis de processar.

Com análises teóricas elaboradas e simulações computacionais, a equipe finalmente conseguiu identificar um material adequado: A fase θ hexagonal do nitreto de tântalo. O tântalo é particularmente favorável porque tem praticamente nenhum isótopo diferente. Quase 99,99% do tântalo natural é o isótopo tântalo 181; outras variantes dificilmente ocorrem.

"A combinação com nitrogênio e a geometria atômica em escala especial tornam a fase metálica, e suprimem interações das vibrações condutoras de calor com outras vibrações e com os elétrons condutores. São exatamente essas interações que inibem a condução de calor em outros materiais", disse Madsen. "Estas interações não são possíveis neste material porque violariam a lei da conservação de energia."

Portanto, esta forma de nitreto de tântalo combina várias vantagens importantes, tornando-o um material recorde com condutividade térmica várias vezes maior que a prata e comparável ao diamante. Segundo Madsen, o nitreto de tântalo é um material altamente promissor para a indústria de chips. "Chips estão ficando menores e mais potentes, então conduzir calor está se tornando um problema cada vez maior. Nenhum outro material resolve este problema melhor que a fase θ do nitreto de tântalo", disse ele.