Varis gali prarasti lyderystę elektronikoje: rasta nauja medžiaga, kuri šilumą išsklaido daug efektyviau
Varis elektronikos pasaulyje – tarsi patikimas senas meistras. Jis nėra egzotiškas, tačiau dešimtmečius atlieka vieną svarbiausių darbų: surenka šilumą, ją paskirsto ir taip apsaugo mikroschemas nuo perkaitimo. Todėl žinia apie medžiagą, kuri šilumą perduoda beveik tris kartus geriau nei varis, nebeatrodo kaip eilinis laboratorinis smalsumas. Tai veikiau signalas, kad šilumos valdymo taisyklės elektronikoje gali keistis iš esmės.
Kalbama apie metalinį tantalo nitridą theta fazėje, žymimą θ-TaN. UCLA vadovaujama tyrėjų komanda parodė, kad šios medžiagos šilumos laidumas siekia apie 1100 W/mK. Palyginimui, vario, kuris iki šiol dominuoja komerciniuose šilumos valdymo sprendimuose, šilumos laidumas yra apie 400 W/mK. Tai ne nedidelis pagerinimas, o skirtumas, kuris aušinimo technologijoms gali tapti lemiamas.
Ne kiekvienai įkaitusiai elektronikai reikia daugiau galios – kartais reikia greitesnio kelio šilumai „pabėgti“
Šiuolaikinė elektronika vis labiau primena tankiai statomą miestą: procesoriai, dirbtinio intelekto akceleratoriai, duomenų centrai, energetikos sistemos ir kvantiniai įrenginiai tampa vis galingesni, tačiau kartu sukuria ir vis daugiau lokalių „karštųjų taškų“. Šiluma čia veikia kaip spūstis greitkelyje – ji nebūtinai sugriauna visą sistemą, bet gali pristabdyti labiausiai apkrautas vietas, mažinti našumą ir trumpinti komponentų tarnavimo laiką.
Dėl to medžiagos, pasižyminčios labai dideliu šilumos laidumu, yra itin vertingos. Jų tikslas nėra „stebuklingai atšaldyti“, o kuo greičiau ištraukti energiją iš pavojingai įkaistančios vietos ir ją paskirstyti plačiau. Kuo efektyviau tai daroma, tuo lengviau išvengti perkaitimo, našumo kritimo ir pagreitėjusio dėvėjimosi.
Todėl skirtumas tarp 400 ir 1100 W/mK nėra vien skaičius lentelėje. Tai veikiau skirtumas tarp įprastos gatvės ir plataus evakuacinio tunelio šilumai, kai tankiai supakuota ir didelius krūvius apdorojanti elektronika kaista vis labiau.
Kuo šis materialas toks neįprastas?
Metaluose šilumą perneša ir laisvieji elektronai, ir kristalinės gardelės virpesiai – fononai. Problema ta, kad šie du „pasauliai“ dažnai vienas kitam trukdo: elektronai susiduria su atomų virpesiais, fononai tarpusavyje, todėl energijos judėjimas tampa panašesnis į bėgimą per minią nei į laisvą sprintą. Būtent šios sąveikos ilgą laiką ribojo tai, kaip gerai metalai gali perduoti šilumą.
θ-TaN atveju tyrėjai pastebėjo retą reiškinį – itin silpną elektronų ir fononų sąveiką. Tai, jų vertinimu, ir leidžia šilumai per medžiagą tekėti gerokai efektyviau nei per varį ar sidabrą. Paprastai tariant, šilumos „nešėjai“ čia turi mažiau progų trukdyti vieni kitiems.
Tyrėjai šią savybę sieja su neįprasta atomine struktūra: tantalo ir azoto atomai medžiagoje išsidėsto specifiniu heksagoniniu raštu. Tai rodo, kad kartais pakanka kitaip „sudėlioti“ atomus, ir medžiaga ima apeiti ribas, kurios anksčiau atrodė beveik savaime suprantamos.
Ne tik rekordas, bet ir iššūkis senoms nuostatoms
Ilgą laiką atrodė, kad varis ir sidabras yra praktiškai aukščiausias taškas metalų šilumos laidumo skalėje. Norint pasiekti daugiau, dėmesys dažniau krypdavo į egzotiškus nemetališkus sprendimus, pavyzdžiui, deimantą ar kitus specifinius junginius. θ-TaN primena, kad toks požiūris galėjo būti pernelyg konservatyvus.
Šis atradimas svarbus ir todėl, kad laboratoriniai rekordai neretai lieka vien teoriniais pasiekimais. Šiuo atveju kalbama apie metalinę medžiagą, kuri iš principo yra arčiau realių integravimo scenarijų nei kai kurie trapūs ar pritaikyti sudėtingi kitų klasių rekordininkai. Tai dar nereiškia, kad θ-TaN artimiausiu metu išstums varį, tačiau praktinių taikymų diskusija čia nėra vien fantazija.
Tyrėjai medžiagos savybes patvirtino keliomis metodikomis, tarp jų – didelės skiriamosios gebos neelastine rentgeno spindulių sklaida ir ultragreita optine spektroskopija. Tokie patikrinimai ypač svarbūs, kai rezultatai prieštarauja įprastai intuicijai: būtina įrodyti ne tik patį rekordą, bet ir jo kilmę.
Šaltinis: „IFL Science“
