Bahan Konduksi Panas Pemecah Rekor Akan Menghemat Chip Komputer
Bekerja sama dengan kelompok dari China dan Amerika Serikat, tim peneliti dari TU Wien berangkat untuk menemukan konduktor panas yang optimal. Mereka akhirnya menemukan apa yang mereka cari dalam bentuk tantalum nitrida yang sangat spesifik — tidak ada bahan logam lain yang diketahui memiliki konduktivitas termal lebih tinggi. Untuk dapat mengidentifikasi bahan pemecah rekor ini, pertama-tama mereka harus menganalisis proses mana yang berperan dalam konduksi panas pada bahan tersebut pada tingkat atom.
"Pada dasarnya, ada dua mekanisme di mana panas merambat dalam suatu bahan," jelas Profesor Georg Madsen dari Institut Kimia Bahan di TU Wien. "Pertama, melalui elektron yang bergerak melalui material, membawa energi bersamanya. Ini adalah mekanisme utama dalam konduktor listrik yang baik. Dan kedua melalui fonon, yang merupakan getaran kisi kolektif dalam material." Atom-atom bergerak, menyebabkan atom-atom lain bergoyang. Pada suhu yang lebih tinggi, konduksi panas melalui propagasi getaran ini biasanya merupakan efek yang menentukan.
Tetapi baik elektron maupun getaran kisi tidak dapat merambat sepenuhnya tanpa hambatan melalui materi. Ada berbagai proses yang memperlambat perambatan energi panas ini. Elektron dan getaran kisi dapat berinteraksi satu sama lain, mereka dapat menyebar, mereka dapat dihentikan oleh ketidakteraturan dalam materi. Dalam beberapa kasus, konduksi panas bahkan dapat dibatasi secara dramatis oleh fakta bahwa isotop yang berbeda dari suatu elemen dibangun ke dalam materi. Dalam hal ini, atom tidak memiliki massa yang persis sama, dan ini mempengaruhi perilaku vibrasi kolektif atom.
"Beberapa dari efek ini dapat ditekan - tetapi biasanya tidak semuanya pada saat yang bersamaan," kata Madsen. "Ini seperti bermain Whack-A-Mole:Anda memecahkan satu masalah, dan pada saat yang sama muncul masalah baru di tempat lain."
Logam biasanya memiliki konduktivitas termal yang biasa-biasa saja. Logam dengan konduktivitas termal tertinggi yang diketahui adalah perak — dengan hanya sebagian kecil dari konduktivitas bahan pemegang rekor:berlian. Tapi berlian mahal dan sangat sulit untuk diproses.
Dengan analisis teoretis yang rumit dan simulasi komputer, tim akhirnya berhasil mengidentifikasi bahan yang cocok:Fase heksagonal tantalum nitrida. Tantalum sangat disukai karena hampir tidak memiliki isotop yang berbeda. Hampir 99,99% tantalum alami adalah isotop tantalum 181; varian lain hampir tidak muncul.
"Kombinasi dengan nitrogen dan geometri skala atom khusus membuat fase logam, dan menekan interaksi getaran pembawa panas dengan getaran lain dan dengan elektron konduktor. Interaksi itulah yang menghambat konduksi panas pada bahan lain," kata gila. "Interaksi ini tidak mungkin terjadi dalam materi ini karena akan melanggar hukum kekekalan energi."
Oleh karena itu, bentuk tantalum nitrida ini menggabungkan beberapa keunggulan penting, menjadikannya bahan pemecah rekor dengan konduktivitas termal beberapa kali lebih tinggi daripada perak dan sebanding dengan berlian. Menurut Madsen, tantalum nitrida merupakan bahan yang sangat menjanjikan untuk industri chip. "Keripik semakin kecil dan semakin kuat, sehingga menghantarkan panas menjadi masalah yang semakin besar. Tidak ada bahan lain yang memecahkan masalah ini lebih baik daripada tantalum nitrida fase-," katanya.
