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科學家首次造出理論中的金屬材料
科學家首次造出理論中的金屬材料科學家首次造出理論中的金屬材料
AI 的發展正在不斷推高全球對算力的需求，隨著以英偉達（NVIDIA）為代表的高端 AI 加速器功耗快速攀升，數據中心的機架功率密度將被推至 300 千瓦級別。
巨大能耗之下，散熱成為不容忽視的關鍵問題：芯片消耗的電能幾乎全部以熱的形式耗散出來。而在目前的芯片熱傳導路徑中，銅是散熱擴散層、熱管、蒸汽腔和封裝基板的主力材料，導熱率約為 400 瓦每米每開爾文（W/m·K）。壹個世紀以來，這就是金屬導熱的真實性能上限。
今年年初，加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）薩繆利工程學院的胡永傑教授團隊在《科學》（Science）發文，他們造出壹種曾經只存在於理論中的金屬材料：θ 相氮化鉭（θ-TaN）單晶。實驗發現，該材料的室溫導熱率可達 1,100 W/m·K 左右，接近銅的叁倍。
θ-TaN 的 70 年發現之旅
1950 年代，德國化學家布勞爾（Brauer）等人在高溫高壓條件下發現，TaN 存在壹種 θ 相。近年來，學界預測，θ-TaN 具備遠超常規金屬的本征導熱率，潛在值接近金剛石和砷化硼。但此前有關 θ-TaN 的研究都停留在理論層面，高質量 θ-TaN 晶體始終未被造出，其導熱性能也無從驗證。
障礙主要在合成端。穩定 θ 相需要在數千攝氏度環境下對材料施加數吉帕（GPa）壓力，加之氮化鉭體系中存在立方（δ-TaN）、六方（ε-TaN）、肆方（t-TaN）等多種競爭晶相，過往合成的樣品幾乎都是含有晶界、缺陷與混相的多晶粉末。
而且，此前的理論分析也指出，如果 θ-TaN 晶體存在缺陷或雜質，其導熱率會遠低於理論值水平。
為解決這壹難題，胡永傑團隊與日本東北大學（Tohoku University）多學科先進材料研究所的孝廣（Takahiro Yamada）等人合作，采用了壹種名為助熔劑輔助復分解反應的技術：以金屬鈉同時充當還原劑和助熔劑，繞開傳統高壓合成路線，在富氮環境下直接將氧化鉭轉化為氮化鉭單晶。
最終得到的 θ-TaN 單晶尺寸在 10 到 100 微米之間，表面光潔、單壹晶相。團隊進壹步通過拉曼光譜、單晶 X 射線衍射（S-XRD）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、電子能量損失譜（EELS）等表征手段確認了樣品的結構完整性，證實其特征與先前預測高度吻合。
成功造出單晶後，團隊終於有了驗證 θ-TaN 導熱率的機會。測量結果顯示，在室溫條件下，θ-TaN 沿 a 軸方向（六方晶格底面內）的導熱率約為 1105 W/m·K，沿 c 軸方向（垂直於底面）約為 928 W/m·K，反映出 θ-TaN 導熱性能的各向異性。而跨整個晶體掃描的空間分布測量顯示，同壹方向上導熱率在樣品各處保持壹致，這表明測得的高導熱率來自晶格本征行為，不是偶然現象。
（來源：Science）
θ-TaN 的優越導熱性能與其特殊的晶體結構密切相關。
在微觀層面，固體材料的導熱由兩類載體承擔：壹是自由電子的定向流動，贰是晶格原子的集體振動。後者在量子力學框架下被定義為聲子（phonon），類比電子傳遞電流，聲子則在晶體裡傳遞熱量。
在銅、鋁、銀等常規金屬中，熱傳導主要由自由電子承擔，但電子與聲子的相互作用反而會消耗上述兩條通道的輸運能力；再者，其內部活躍的聲子-聲子散射會進壹步削弱導熱。但 θ-TaN 的特殊之處在於，其聲子-聲子的相互作用極弱，電子也幾乎不與聲子交換能量，同時把兩條散射通道都堵上了。
此外，鉭元素的壹個自然屬性又提供了第叁重加成。聲子在晶格中傳播時，如果遇到質量不壹致的原子，也會發生散射，影響導熱。但鉭幾乎是單壹同位素元素，天然鉭中 ¹⁸¹Ta 同位素的豐度高達 99.988%，原子質量差異導致的散射在 θ-TaN 上天然被削弱。
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好新聞沒人評論怎麼行，我來說幾句
巨大能耗之下，散熱成為不容忽視的關鍵問題：芯片消耗的電能幾乎全部以熱的形式耗散出來。而在目前的芯片熱傳導路徑中，銅是散熱擴散層、熱管、蒸汽腔和封裝基板的主力材料，導熱率約為 400 瓦每米每開爾文（W/m·K）。壹個世紀以來，這就是金屬導熱的真實性能上限。
今年年初，加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）薩繆利工程學院的胡永傑教授團隊在《科學》（Science）發文，他們造出壹種曾經只存在於理論中的金屬材料：θ 相氮化鉭（θ-TaN）單晶。實驗發現，該材料的室溫導熱率可達 1,100 W/m·K 左右，接近銅的叁倍。
θ-TaN 的 70 年發現之旅
1950 年代，德國化學家布勞爾（Brauer）等人在高溫高壓條件下發現，TaN 存在壹種 θ 相。近年來，學界預測，θ-TaN 具備遠超常規金屬的本征導熱率，潛在值接近金剛石和砷化硼。但此前有關 θ-TaN 的研究都停留在理論層面，高質量 θ-TaN 晶體始終未被造出，其導熱性能也無從驗證。
障礙主要在合成端。穩定 θ 相需要在數千攝氏度環境下對材料施加數吉帕（GPa）壓力，加之氮化鉭體系中存在立方（δ-TaN）、六方（ε-TaN）、肆方（t-TaN）等多種競爭晶相，過往合成的樣品幾乎都是含有晶界、缺陷與混相的多晶粉末。
而且，此前的理論分析也指出，如果 θ-TaN 晶體存在缺陷或雜質，其導熱率會遠低於理論值水平。
為解決這壹難題，胡永傑團隊與日本東北大學（Tohoku University）多學科先進材料研究所的孝廣（Takahiro Yamada）等人合作，采用了壹種名為助熔劑輔助復分解反應的技術：以金屬鈉同時充當還原劑和助熔劑，繞開傳統高壓合成路線，在富氮環境下直接將氧化鉭轉化為氮化鉭單晶。
最終得到的 θ-TaN 單晶尺寸在 10 到 100 微米之間，表面光潔、單壹晶相。團隊進壹步通過拉曼光譜、單晶 X 射線衍射（S-XRD）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、電子能量損失譜（EELS）等表征手段確認了樣品的結構完整性，證實其特征與先前預測高度吻合。
成功造出單晶後，團隊終於有了驗證 θ-TaN 導熱率的機會。測量結果顯示，在室溫條件下，θ-TaN 沿 a 軸方向（六方晶格底面內）的導熱率約為 1105 W/m·K，沿 c 軸方向（垂直於底面）約為 928 W/m·K，反映出 θ-TaN 導熱性能的各向異性。而跨整個晶體掃描的空間分布測量顯示，同壹方向上導熱率在樣品各處保持壹致，這表明測得的高導熱率來自晶格本征行為，不是偶然現象。
（來源：Science）
θ-TaN 的優越導熱性能與其特殊的晶體結構密切相關。
在微觀層面，固體材料的導熱由兩類載體承擔：壹是自由電子的定向流動，贰是晶格原子的集體振動。後者在量子力學框架下被定義為聲子（phonon），類比電子傳遞電流，聲子則在晶體裡傳遞熱量。
在銅、鋁、銀等常規金屬中，熱傳導主要由自由電子承擔，但電子與聲子的相互作用反而會消耗上述兩條通道的輸運能力；再者，其內部活躍的聲子-聲子散射會進壹步削弱導熱。但 θ-TaN 的特殊之處在於，其聲子-聲子的相互作用極弱，電子也幾乎不與聲子交換能量，同時把兩條散射通道都堵上了。
此外，鉭元素的壹個自然屬性又提供了第叁重加成。聲子在晶格中傳播時，如果遇到質量不壹致的原子，也會發生散射，影響導熱。但鉭幾乎是單壹同位素元素，天然鉭中 ¹⁸¹Ta 同位素的豐度高達 99.988%，原子質量差異導致的散射在 θ-TaN 上天然被削弱。
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