Los Angeles. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der University of California, Los Angeles (UCLA), hat ein neues metallisches Material auf Basis von Tantalnitrid entwickelt, das einen Rekord bei der Wärmeleitung aufstellt. Das Rekord Metall Wärmeleitung schlägt bislang gängige Metalle wie Kupfer oder Silber und könnte die Kühlung von hochleistungsfähigen Elektronikbauteilen erheblich verbessern.

Neuer Wärmerekord erklärt – Rekord Metall Wärmeleitung

Die Bedeutung der Wärmeleitung in der Technik wächst mit der Miniaturisierung elektronischer Bauteile. Während bisherige Metalle wie Kupfer hauptsächlich Wärme durch die Bewegung freier Elektronen leiten, gelingt dies bei Tantalnitrid anders. Das Material nutzt stärker den Transport durch Phononen, also die Schwingungen des Kristallgitters.

Das Forschungsteam um Yongjie Hu kombinierte theoretische Modelle der Quantenmechanik mit Experimenten unter hohem Druck, um eine spezielle Kristallstruktur von Tantalnitrid zu erzeugen. Dabei wurde die Streuung von Gitterwellen so weit reduziert, dass die Wärmeleitfähigkeit erheblich verbessert wurde. Die gemessene Leistung übertrifft die bisher besten Tantalverbindungen um das Dreifache und erreicht Werte, die sonst nur bei teuren Nichtmetallen wie Diamant oder Bornitrid beobachtet werden.

Physikalische Hintergründe der Wärmeleitung

In Metallen findet Wärmeleitung traditionell durch freie Elektronen statt. Phononen spielen meist nur eine geringe Rolle, da sie bei der Bewegung durch Wechselwirkung mit Elektronen gebremst werden. Durch eine gezielte isotopische Steuerung und eine feine Abstimmung der Kristallstruktur konnte dieser Bremsmechanismus verringert werden. So fließen die Gitterwellen fast ungehindert, was die thermische Leitfähigkeit verbessert.

Eigenschaften des neuen Materials

Das neu entwickelte Tantalnitrid vereint hohe Wärmeleitfähigkeit mit den typischen robusten metallischen Eigenschaften. Es ist weniger spröde und damit in der industriellen Fertigung praktischer als keramische oder sehr teure Materialien. Dies macht das Material besonders interessant für die Halbleiterindustrie, in der eine effiziente Hitzeabfuhr bei immer kleiner werdenden Chips unverzichtbar ist.

„Diese Arbeit zeigt einen Weg auf, wie man durch das Verständnis der Kopplung von Elektronen und Phononen die thermischen Grenzen von Materialien verschieben kann“, sagte Yongjie Hu von der UCLA.

Weiterentwicklung und Ausblick

Die Forscher sehen in der Entdeckung des neuen Rekordmetalls großes Potenzial, vor allem in der Kühlung von Mikrochips, Optoelektronik und innovativen Batteriesystemen etwa in Elektrofahrzeugen. Für eine industrielle Massenfertigung sind jedoch noch Optimierungen bei der Synthese notwendig. Die wissenschaftliche Grundlage für eine effizientere Wärmeableitung in zukünftigen Technologien ist damit aber geschaffen.

In Deutschland und weltweit gewinnt die Entwicklung effizienter Materialien wie dem Tantalnitrid zunehmend an Bedeutung. Weitergehende Informationen zum Forschungsstand und Anwendungen im Bereich der Wärmeleitung finden sich auf spezialisierten Fachseiten wie regionalupdate.de sowie bei der University of California, Los Angeles.

Ausblick auf nächste Schritte

Das Team plant, die Herstellungsmethoden des Tantalnitrids weiter zu verfeinern, um eine Produktion im größeren Maßstab zu ermöglichen. Die Umsetzung in funktionale Bauteile der Mikroelektronik steht im Fokus der nächsten Forschungsphase. Zudem wird die Integration des Materials in bestehende Halbleitertechnologien erforscht, um die Effizienz von elektronischen Geräten langfristig zu steigern.