- 【科学背景】
在当今高性能计算、人工智能芯片与功率电子器件迅速发展的背景下，高效热管理已成为制约设备性能、可靠性与能效的关键瓶颈。传统金属材料如铜，其热导率长期被限制在约400 W·m⁻¹·K⁻¹左右，这一极限源于金属内部强烈的电子-声子耦合与声子非谐相互作用，导致热载流子寿命大幅缩短。近年来，第一性原理计算预言某些亚稳态过渡金属氮化物可能具备突破这一极限的潜力，其中θ相氮化钽（θ-TaN）因具备超硬原子键合、低声子非谐性与极弱的电子-声子耦合而被视为极具潜力的候选材料。然而，受限于其高压高温合成的困难与多相竞争，高质量单晶θ-TaN的制备与性能验证一直未能实现，其超高导热性能长期停留在理论预测阶段。因此，实现θ-TaN单晶的可控制备并实验验证其热输运特性，不仅是对理论的重要检验，也为开发下一代高热导金属材料提供了关键实验依据。
- 【创新成果】
由加州大学洛杉矶分校胡永杰教授团队领衔的研究，针对金属材料导热性能长期受限的科学难题，成功合成出高质量单晶θ相氮化钽（θ-TaN），并系统表征了其热输运性能与微观机理。研究团队采用助熔剂辅助的置换反应法，克服了传统高压合成难题，获得了毫米级高纯单晶。实验测得θ-TaN在室温下的热导率高达约1100 W·m–¹·K-1，是铜的三倍，创下金属材料导热性能新纪录。通过非弹性X射线散射与超快光谱技术，团队揭示其高导热源于大声子带隙、声子成簇效应及极弱的电子-声子耦合，这些特性共同抑制了声子-声子散射，实现了声子主导的高效热输运。该研究不仅验证了第一性原理预测，也为高性能电子散热、航空航天热管理等领域提供了新材料范式。相关成果以《Metallic θ-phase tantalum nitride has a thermal conductivity triple that of coppe》为题，近期发表在Science杂志上。
- 【图文解析】
图1 单晶θ-TaN的结构表征
图2 θ-TaN的温度相关热导率测量
图3 θ-TaN中声子能带结构及散射机制的实验测量与第一性原理理论研究
图4 对θ-TaN中电子-声子相互作用及超快动力学的实验测量和第一性原理计算
四、【科学启迪】
本研究首次在实验上实现了θ相氮化钽单晶的合成，并证实其室温热导率高达1100 W·m⁻¹·K⁻¹，是铜的三倍，突破了金属材料百年来的导热极限。通过综合结构表征、热导测量、声子谱学与超快动力学分析，团队从微观层面揭示其高导热的物理机制：大声子带隙抑制了声学-光学声子散射，声子成簇效应减少了声子间相位空间，加之钽近乎单一同位素的天然特性极大抑制了同位素散射，同时电子-声子耦合极弱，使热输运主要由长寿命声子主导。这一发现不仅重新定义了金属材料的导热上限，也为设计新一代高热导金属提供了全新思路。θ-TaN兼具金属电导与超高导热，在高端芯片散热、功率模块、航空航天热控系统、聚变装置热管理等领域具有重大应用潜力，有望推动电子、能源、国防等产业的热管理技术跨越式发展。
文章详情：DOI: 10.1126/science.aeb1142
