新材料问世，导热率三倍于铜

一位资深工程师曾说过，大型散热底座以及配套无源散热材料的作用很简单：把热量从热源传导到一个叫“别处”的地方，烫手的难题就此转嫁他人。这句调侃虽有几分道理，但有一点毋庸置疑。若依靠热传导通过散热底座导出热量，工程师通常只会选用两种主流材料：铜与铝。

图1：传热分为三种形式：热传导、热对流、热辐射。热传导依靠固体介质传热，热对流依托流体流动传热，热辐射则通过红外辐射能量传递热量。

铜的优势在于导热系数约400瓦每米开尔文，数值优异；铝导热系数仅167至237瓦每米开尔文（随合金种类变化），但同等体积下重量仅为铜的三分之一。金刚石导热系数更高，可达1500至2200瓦每米开尔文，超高纯人造金刚石甚至能突破3000瓦每米开尔文。不过整块金刚石并不适合制作大型散热基座，仅能作为超薄导热过渡层，铺设在部分芯片封装体表面充当均热片。

如今，加州大学洛杉矶分校萨穆利工程学院的研究团队，联合阿贡国家实验室及多家机构，发现了一种金属材料，创下目前金属导热系数的最高纪录。该材料为θ相氮化钽（θ-TaN），导热系数约1100瓦每米开尔文，近乎铜的三倍。

金属内部的热量由自由电子与名为声子的原子振动共同传递。电子与声子之间的强相互作用，会限制金属的导热效率。理论模型预测，凭借独特的六边形原子排布结构（钽原子与氮原子交错分布），θ相氮化钽能够实现超高热传导效率。

研究团队采用多种高精表征手段验证样品为单晶材料，包括电子衍射、拉曼光谱、单晶X射线衍射、高分辨透射电子显微镜、电子能量损失谱等；同时借助同步辐射X射线散射、超快光谱等多项测试手段，验证材料导热性能。

本次研究的核心设备为升级后的先进光子源（APS），该设施隶属于美国能源部科学办公室，落地于阿贡国家实验室，用于验证新材料各项物性参数。团队开展高分辨非弹性X射线散射测试后发现，该材料内部电子-声子相互作用极弱，热量传导效率远优于传统金属。

图2：三组伪彩色图像记录光脉冲输入热能后，氮化钽内部圆形热场分别在0.1皮秒、1皮秒、10皮秒向外扩散的过程，中心区域呈红色，边缘区域渐变为蓝色。

同步辐射非弹性X射线散射结果显示，该材料拥有独特声子能带结构，具备较大声学-光学能隙并存在声子聚束效应，能够抑制声子之间的散射行为。超快光谱测试证实其电子-声子耦合作用极弱，与第一性原理计算结果完全吻合。

随后团队采用基于时域热反射法的超快光泵浦-探测技术，对θ-TaN单晶的导热系数开展测试。该方法已是行业标准，此前已用于金刚石、磷化硼、氮化硼及各类高导热金属的导热系数测量。

测试温度区间覆盖150至600开尔文，研究人员发现整块单晶材料导热系数均保持高位。这既证明样品结晶度优异，也证实超高导热特性源自材料本征晶格属性，与第一性原理理论预测一致。

尽管单晶整块θ-TaN短期内难以替代铜、铝散热底座，但该材料有望成为热源与冷却器件之间关键导热过渡层的优选方案，应用思路与金刚石薄膜相近。

论文共同第一作者均为加州大学洛杉矶分校萨穆利工程学院HongjieHu教授的在读研究生；其余参与单位包括美国能源部阿贡国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、日本东北大学、加州大学欧文分校材料研究所。