Des chercheurs découvrent un matériau métallique à conductivité thermique record

Une équipe de recherche multi-institutionnelle dirigée par l’UCLA a découvert un matériau métallique présentant la conductivité thermique la plus élevée jamais mesurée parmi les métaux, remettant en question les hypothèses de longue date sur les limites du transport de chaleur dans les matériaux métalliques.

Publiée dans Science, l’étude est dirigée par Yongjie Hu, professeur de génie mécanique et aérospatial à la Samueli School of Engineering de l’UCLA. L’équipe a rapporté que le nitrure de tantale en phase thêta métallique conduit la chaleur près de trois fois plus efficacement que le cuivre ou l’argent, les meilleurs métaux conducteurs de chaleur conventionnels.

La conductivité thermique décrit l’efficacité avec laquelle un matériau peut transporter la chaleur. Les matériaux à haute conductivité thermique sont essentiels pour éliminer les points chauds localisés dans les dispositifs électroniques, où la surchauffe limite les performances, la fiabilité et l’efficacité énergétique. Le cuivre domine actuellement le marché mondial des dissipateurs thermiques, représentant environ 30 % des matériaux de gestion thermique commerciaux, avec une conductivité thermique d’environ 400 watts par mètre-kelvin.

L’équipe dirigée par l’UCLA a découvert que le nitrure de tantale en phase thêta métallique, en revanche, possède une conductivité thermique ultrarapide d’environ 1 100 W/mK, établissant une nouvelle référence pour les matériaux métalliques et redéfinissant ce qui est possible pour le transport de chaleur dans les métaux.

« Alors que les technologies d’IA progressent rapidement, les besoins en dissipation thermique repoussent les limites des métaux conventionnels comme le cuivre, et la forte dépendance mondiale au cuivre dans les puces et les accélérateurs d’IA devient une préoccupation critique », explique Hu, qui est également membre du California NanoSystems Institute de l’UCLA. « Nos recherches montrent que le nitrure de tantale en phase thêta pourrait être une alternative fondamentalement nouvelle et supérieure pour atteindre une conductivité thermique plus élevée et pourrait aider à guider la conception des matériaux thermiques de nouvelle génération. »

Pendant plus d’un siècle, le cuivre et l’argent ont représenté la limite supérieure de la conductivité thermique parmi les métaux. Dans les matériaux métalliques, la chaleur est transportée à la fois par les électrons libres et par les vibrations atomiques appelées phonons. Les interactions fortes entre électrons et phonons et les interactions phonon-phonon ont historiquement limité l’efficacité avec laquelle la chaleur peut circuler dans les métaux. La découverte de l’UCLA démontre que cette référence de longue date peut être dépassée.

La modélisation théorique suggérait que le nitrure de tantale en phase thêta pourrait présenter un transport de chaleur inhabituellement efficace en raison de sa structure atomique unique, dans laquelle les atomes de tantale sont intercalés avec des atomes d’azote selon un motif hexagonal. L’équipe a confirmé la performance du matériau en utilisant plusieurs techniques, notamment la diffusion de rayons X basée sur le synchrotron et la spectroscopie optique ultrarapide. Ces mesures ont révélé des interactions électron-phonon extrêmement faibles, permettant à la chaleur de circuler bien plus efficacement que dans les métaux conventionnels.

Au-delà de la microélectronique et du matériel d’IA, les chercheurs affirment que cette découverte pourrait impacter un large éventail de technologies de plus en plus limitées par la chaleur, y compris les centres de données, les systèmes aérospatiaux et les plateformes quantiques émergentes.

Chercheur de premier plan dans la gestion thermique des composants électroniques, Hu a été le pionnier de la découverte expérimentale de l’arséniure de bore, un autre matériau semi-conducteur à haute conductivité thermique, en 2018. Son groupe a depuis démontré des interfaces thermiques hautes performances et des dispositifs à nitrure de gallium intégrant de l’arséniure de bore pour le refroidissement, soulignant le potentiel de ce matériau pour les technologies semi-conductrices de nouvelle génération.

Les co-auteurs principaux de l’étude sont Suixuan Li, Chuanjin Su et Zihao Qin — tous étudiants diplômés du H-Lab de Hu à UCLA Samueli. Les autres auteurs proviennent du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie, du Laboratoire national Lawrence Berkeley, de l’Université du Tohoku au Japon et de l’Institut de recherche sur les matériaux de l’UC Irvine.

La recherche a été financée en partie par le Département américain de l’énergie et la National Science Foundation. Le soutien informatique a été fourni par le Research Technology Group de l’UCLA Institute for Digital Research and Education et par Bridges-2 au Pittsburgh Supercomputing Center.

Article : Metallic θ-phase tantalum nitride has a thermal conductivity triple that of copper – Journal : Science – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude