Tantal Nitrür ile Isı İletimi
Çip endüstrisi için tantal nitrür oldukça gelecek vaad eden bir malzemedir.
Isıyı bilgisayar çiplerinden mümkün olduğunca çabuk nasıl uzaklaştırabiliriz? TU Wien’de, bunun için özellikle uygun olan bir metal bileşiği tanımlanmıştır.
Bir termos ,sıcaklığı koruma özelliğine sahiptir ancak bazen tam tersini elde etmek isteyebilirsiniz ;Bilgisayar çipleri, çipin yok edilmemesi için mümkün olduğunca çabuk uzaklaştırılması gereken ısı üretir. Bu yüzden ısıyı iyi bir şekilde ileten özel malzemeler gereklidir.
Bu nedenle, Çin ve Amerika Birleşik Devletleri’nden gruplarla işbirliği içinde olan TU Wien’den bir araştırma ekibi, en iyi ısı iletkenini bulmak için yola çıktı. Sonunda aradıklarını çok spesifik olan tantal nitrür formunda buldular. Bilinen başka hiçbir metalik malzeme daha yüksek bir termal iletkenliğe sahip değildir. Bu rekor kıran malzemeyi tanımlayabilmek için, önce bu tür malzemelerle atomik düzeyde ısı iletiminde hangi işlemlerin rol oynadığını analiz etmek zorunda kaldılar . Sonuçları “Fiziksel İnceleme Bilimi” bilimsel dergisinde yayınlandı.
Elektronlar ve Örgü Titreşimleri
TU Wien’deki malzeme kimyası Enstitüsü’nden Prof. Georg Madsen,” temel olarak, ısının bir malzemede yayıldığı iki mekanizma var ” diye açıklıyor. “İlk mekanizma malzeme boyunca hareket eden elektronlardan enerji almasıdır. Bu, iyi elektrik iletkenlerinde ana mekanizma olmaktadır. İkincisi ise malzemedeki fononlar (atomların veya moleküllerin tek bir frekansta düzgün bir şekilde salınan temel bir titreşim hareketinin kuantum mekaniğinde ifade edilmesi)aracılığıyla yaptığı kolektif örgü titreşimleridir. Atomlar hareket eder ve diğer atomların sallanmasına neden olur. Daha yüksek sıcaklıklarda, bu titreşimlerin yayılması yoluyla ısı iletimi genellikle belirleyici etkidir.
Ancak ne elektronlar ne de örgü titreşimleri malzeme boyunca tamamen engellenmeden yayılamaz. Termal enerjinin bu yayılımını yavaşlatan çeşitli süreçleri vardır. Elektronlar ve örgü titreşimleri birbirleriyle etkileşime girebilir, saçılabilirler, malzemedeki düzensizlikler tarafından durdurulabilirler.
Bazı durumlarda, ısı iletimi, bir elementin farklı izotoplarının malzemeye yerleştirilmesiyle, yani farklı sayıda nötrona sahip benzer atomlarla önemli ölçüde sınırlandırılabilir. Bu durumda, atomlar tam olarak aynı kütleye sahip değildir ve bu malzemedeki atomların kolektif titreşim davranışını etkiler.
Georg Madsen,” Bu etkilerin bazıları çözülebilir. Ancak hepsi aynı anda değil ” diyor. “Whack-a-Mole (Bir elektrikli yaylanma düzeneğiyle, yatay bir yüzeydeki çok sayıdaki deliklerden sert plastikten köstebekler rastgele biçimde hızla belirdikçe başlarına bir tokmakla vurup geriye sokmak suretiyle oynanan ve kısıtlı oyun süresi boyunca her başarılı vuruş için puan kazanılan bir oyun) oynamak gibi: bir sorunu çözüyorsunuz ve aynı zamanda başka bir yerde yeni bir tane ortaya çıkıyor.”
Tantal Nitrür Her alanda Başarılı
Ellerimizi sıcak bir metal plaka üzerinde yakma konusundaki günlük deneyimlerimize rağmen, metaller bir termal iletkenliğe sahiptir. Bilinen en yüksek ısı iletkenliğine sahip metal gümüştür . Rekor kıran bu malzeme elmasın iletkenliğinin sadece bir kısmı ile mümkündür. Ancak elmaslar pahalıdır ve işlenmesi çok zordur.
Teorik analizler ve simülasyonlar ile ekip sonunda uygun bir malzeme belirlemeyi başardı: Tantal nitrürün altıgen θ-fazı. Tantal özellikle bu yöntem için uygundur çünkü neredeyse hiç farklı izotopu yoktur. Doğal olarak oluşan tantalın yaklaşık %99,99’u izotop tantal 181’dir, diğer varyantlar neredeyse hiç oluşmaz.
Azot ve özel atomik ölçek geometrisi ile kombinasyon, fazı metalik hale getirir ve ısı taşıyan titreşimlerin diğer titreşimlerle ve iletken elektronlarla etkileşimlerini bastırır. Georg Madsen,” Tam olarak diğer malzemelerde ısı iletimini engelleyen etkileşimler vardır ve bu materyalde bu mümkün değildir, çünkü enerji yasası ihlal edilcecektir” diyor.
Bu nedenle, tantal nitrür formülasyonu birkaç önemli avantajı bir araya getirerek, gümüşten birkaç kat daha yüksek ve elmasla karşılaştırılabilir bir termal iletkenliğe sahip rekor kıran bir malzeme haline gelmektedir.
Madsen, “Çip endüstrisi için tantal nitrür son derece umut verici bir malzemedir,çipler giderek küçülüyor ve güçleniyor, bu nedenle ısıyı iletmek giderek daha büyük bir sorun haline geliyor. Başka hiçbir malzeme bu sorunu θ-fazlı tantal nitrürden daha iyi çözemez.” diyor.
Kaynak: chemeurope.com
