断头谷

AI芯片散热新希望？科学家首次造出理论中的金属材料，导热率是铜的3倍_我的网站

A |     起航新学期          我们开学啦                              – 我们开学啦 –          亲爱的大朋友、小朋友们：          随着新春的喜庆氛围逐渐淡去，我们即将告别愉快的假期。带着希望与憧憬，我们马上迎来新学期。    AI 的发展正在不断推高全球对算力的需求，随着以英伟达（NVIDIA）为代表的高端 AI 加速器功耗快速攀升，数据中心的机架功率密度将被推至 300 千瓦级别。

B |          巨大能耗之下，散热成为不容忽视的关键问题：芯片消耗的电能几乎全部以热的形式耗散出来。而在目前的芯片热传导路径中，铜是散热扩散层、热管、蒸汽腔和封装基板的主力材料，导热率约为 400 瓦每米每开尔文（W/m·K）。可爱的宝贝们，你们准备好了吗？          为了让宝贝们以最佳的状态回归幼儿园，开启精彩的新学期，请家长们仔细阅读如下通知：           报到时间          2025年2月12日（星期三）          （具体时间安排请关注班级群通知）           开学时间          2025年2月13日（星期四）          收费明细           根据苏价费字【2018】51号《关于明确苏州市幼儿园收费管理政策的通知》、昆政办发【2018】162号《市政府办公室关于印发昆山市公办幼儿园收费标准调整实施方案的通知》等文件精神，按照江苏省优质幼儿园收费标准，我园本学期收费明细如下：          备注：本学期共收费5个月；预收的伙食费每月结算，期末结退。          家长收到缴费短信后，可通过支付宝APP、苏服办APP、银联云闪付APP、昆山农商行APP、省统一公共支付平台签约银行等渠道进行缴款。电子发票可通过支付宝APP、江苏省财政电子票据查验平台、苏服办APP获取。                   返园小贴士          调整心态           给孩子做积极的心理暗示：提醒孩子很快就要去幼儿园啦，让孩子潜意识里知道假期生活快要结束了。一个世纪以来，这就是金属导热的真实性能上限。         今年年初，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）萨缪利工程学院的胡永杰教授团队在《科学》（Science）发文，他们造出一种曾经只存在于理论中的金属材料：θ 相氮化钽（θ-TaN）单晶。实验发现，该材料的室温导热率可达 1,100 W/m·K 左右，接近铜的三倍。         （来源：Science）          θ-TaN 的 70 年发现之旅          1950 年代，德国化学家布劳尔（Brauer）等人在高温高压条件下发现，TaN 存在一种 θ 相。近年来，学界预测，θ-TaN 具备远超常规金属的本征导热率，潜在值接近金刚石和砷化硼。          回忆幼儿园的快乐时光：与小伙伴愉快的游戏、老师给与鼓励与表扬等，这些积极向上的“正能量”会让孩子怀着迫切的愿望回到幼儿园。

C |          调整作息时间           家长在假期的最后，尽量按照幼儿园的作息时间安排孩子的作息，早睡早起，按时午睡，加强体育锻炼。

D | 但此前有关 θ-TaN 的研究都停留在理论层面，高质量 θ-TaN 晶体始终未被造出，其导热性能也无从验证。建议每天安排一定的陪伴时间。如：可以陪孩子玩一些安静的游戏、亲子阅读等，这样既可以拓展孩子的知识面，又可以培养阅读的兴趣，最重要的是可以让馨沉静下来，减少浮躁情绪，让孩子逐渐进入入园状态。

E |          障碍主要在合成端。         调整饮食习惯           假期里，孩子可能出现暴饮暴食等现象，这会导致孩子不愿意自己吃饭、正餐时间吃不下饭或者身体不适等情况。为了孩子能顺利回归幼儿园，建议尽快恢复正常的饮食习惯，三餐分配合理，清淡饮食、多吃蔬菜和水果、少吃零食、保证饮水量、少喝饮料。         培养孩子独立性           假期里，很多家长会帮孩子代办大小事，等到开学，孩子之前在幼儿园学会的东西都不会了，自理能力缺乏，不仅会影响孩子的情绪，还影响孩子的自信心和自尊心。稳定 θ 相需要在数千摄氏度环境下对材料施加数吉帕（GPa）压力，加之氮化钽体系中存在立方（δ-TaN）、六方（ε-TaN）、四方（t-TaN）等多种竞争晶相，过往合成的样品几乎都是含有晶界、缺陷与混相的多晶粉末。         而且，此前的理论分析也指出，如果 θ-TaN 晶体存在缺陷或杂质，其导热率会远低于理论值水平。         为解决这一难题，胡永杰团队与日本东北大学（Tohoku University）多学科先进材料研究所的孝广（Takahiro Yamada）等人合作，采用了一种名为助熔剂辅助复分解反应的技术：以金属钠同时充当还原剂和助熔剂，绕开传统高压合成路线，在富氮环境下直接将氧化钽转化为氮化钽单晶。

F | 开学前的这段时间，请尽量让孩子自己洗漱、吃饭、穿脱衣物、自己整理自己的玩具物品等，慢慢养成其独立自主的习惯。

G |          最终得到的 θ-TaN 单晶尺寸在 10 到 100 微米之间，表面光洁、单一晶相。         加强安全意识           开学诸事，安全第一。团队进一步通过拉曼光谱、单晶 X 射线衍射（S-XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、电子能量损失谱（EELS）等表征手段确认了样品的结构完整性，证实其特征与先前预测高度吻合。孩子来园前，请家长仔细检查孩子的服装和口袋，看是否有尖锐细小的潜在危险品，如小刀、药片、铁钉、小颗粒物、玻璃珠等。         成功造出单晶后，团队终于有了验证 θ-TaN 导热率的机会。在家加强对孩子的安全教育，教育孩子学会必要的自我保护方法，如不触摸插座开关、不爬高、不随便吃东西、不乱穿马路、不跟陌生人走等。

H |                              每一次的重逢都饱含着期待，          每一次的成长都应当得到呵护。         让我们共同携手，          为孩子们创造一个温馨且安全的环境，          以助力他们在春天的怀抱中茁壮成长。         愿春日暖阳伴随着孩子们的笑容绽放，          一同迈向美好的未来！                    编辑丨王老师          审核丨园长室          来源丨昆山市巴城中心幼儿园。测量结果显示，在室温条件下，θ-TaN 沿 a 轴方向（六方晶格底面内）的导热率约为 1105 W/m·K，沿 c 轴方向（垂直于底面）约为 928 W/m·K，反映出 θ-TaN 导热性能的各向异性。

I | 而跨整个晶体扫描的空间分布测量显示，同一方向上导热率在样品各处保持一致，这表明测得的高导热率来自晶格本征行为，不是偶然现象。         θ-TaN 的优越导热性能与其特殊的晶体结构密切相关。         在微观层面，固体材料的导热由两类载体承担：一是自由电子的定向流动，二是晶格原子的集体振动。

J | 后者在量子力学框架下被定义为声子（phonon），类比电子传递电流，声子则在晶体里传递热量。         在铜、铝、银等常规金属中，热传导主要由自由电子承担，但电子与声子的相互作用反而会消耗上述两条通道的输运能力；再者，其内部活跃的声子-声子散射会进一步削弱导热。

K | 但 θ-TaN 的特殊之处在于，其声子-声子的相互作用极弱，电子也几乎不与声子交换能量，同时把两条散射通道都堵上了。

L |          此外，钽元素的一个自然属性又提供了第三重加成。声子在晶格中传播时，如果遇到质量不一致的原子，也会发生散射，影响导热。但钽几乎是单一同位素元素，天然钽中 ¹⁸¹Ta 同位素的丰度高达 99.988%，原子质量差异导致的散射在 θ-TaN 上天然被削弱。         这些特性让热量可在 θ-TaN 晶格中以罕见的低阻尼状态传输，接近“晶格对热运动透明”的理论极限。         以金属之躯，达到金刚石级别的导热性能          需要注意的是，θ-TaN 只打破了金属材料维持一百多年的导热率纪录，还有导热性能更好的非金属材料，比如金刚石（俗称钻石）。         天然金刚石的导热率可达 1,500~2,200 W/m·K，超纯合成金刚石可达 3,000 W/m·K。

M | 目前，工业上已在探索用化学气相沉积（CVD）金刚石薄膜作为热扩散层，直接键合至逻辑计算芯片的背面，用于台积电 CoWoS 等 2.5D/3D 先进封装。

N |          图 | 单晶 CVD 金刚石薄膜（来源：WikiPedia）          但金刚石有三个显著短板：生长速度慢、能耗高，制造成本居高不下；再者，金刚石是电绝缘体，加入电气路径时需要多一道工艺；最后，作为已知最硬的材料，对金刚石进行切割、抛光、打孔都极其困难，与硅工艺的兼容性偏弱。         面对这些劣势，θ-TaN 的金属属性，及其与现有芯片封装工艺天然亲和，让它有望成为比金刚石更优的选择。         首先，氮化钽薄膜本身就是集成电路制造中常用的扩散阻挡层材料，目前的铜互连工艺广泛使用氮化钽作为衬垫。θ-TaN 如果能以薄膜形式沉积，就能无缝衔接现有产线，无需引入额外工艺。         此外，它既能充当芯片背面的热扩散层，也可以作为热界面材料（TIM）的高导热填料，甚至有可能在高功率射频器件和电力电子模块中，成为兼具导电与导热功能的一体化互连层，光这一点，就是绝缘的金刚石做不到的。

o |          不过，团队也指出，受限于产能和制备难度，θ-TaN 短期内不太可能替代铜、铝等块状散热器材料，更现实的应用形态是被置于芯片和散热器之间，充当高导热中间层，功能类似上文提到的 CVD 金刚石薄膜。而且，TaN 的 θ 相在常温常压下是亚稳相，未来要进入产业，还需评估其长期热稳定性。         造出 θ-TaN 之后，这项研究更重要的意义或许在于，团队进一步释放了金属材料的导热潜力。论文显示，除了 θ-TaN 之外，氮化钨、磷化钼等过渡金属化合物的电子-声子耦合也偏低。这为行业和学界提了个醒，或许可以对这些物质进行系统性地合成和测量，筛出更多具备高导热性质的金属材料。         参考内容：          https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.aeb1142          运营/排版：何晨龙               注：封面/首图由 AI 辅助生成。

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Published on:01:45:29