Pemana Panas Rekor Ditemukan: Nitida Tantalum Bisa Revolusi Pendingin Chip
Dalam kolaborasi dengan kelompok dari Cina dan Amerika Serikat, tim peneliti dari TU Wien berusaha menemukan pemana panas optimal. Mereka akhirnya menemukan apa yang mereka cari dalam bentuk sangat spesifik dari nitida tantalum — tidak ada bahan logam lainnya yang memiliki konduktivitas termal lebih tinggi. Untuk dapat mengidentifikasi bahan rekor ini, mereka pertama kali harus menganalisis proses-proses yang memainkan peran dalam konduksi panas dalam bahan-bahan ini pada tingkat atom.
"Secara dasar, ada dua mekanisme dengan yang panas menyebar dalam bahan," jelas Profesor Georg Madsen dari Institut Kimia Bahan di TU Wien. "Pertama, melalui elektron yang melalui bahan, membawa energi bersama mereka. Ini adalah mekanisme utama dalam konduktor listrik yang baik. Dan kedua melalui fonon, yang adalah getaran kolektif jaring dalam bahan." Atom bergerak, menyebabkan atom lain gemetar. Pada suhu lebih tinggi, konduksi panas melalui propagasi getaran ini biasanya adalah efek yang menentukan.
Tetapi baik elektron maupun getaran jaring tidak dapat menyebar sepenuhnya tanpa hambatan dalam bahan. Ada berbagai proses yang memperlambat propagasi energi termal ini. Elektron dan getaran jaring dapat berinteraksi satu sama lain, mereka dapat terpancar, mereka dapat terhenti oleh ketidakteraturan dalam bahan. Dalam beberapa kasus, konduksi panas bahkan dapat dibatasi secara dramatis oleh fakta bahwa berbagai isotop dari suatu elemen tertanam dalam bahan. Dalam hal itu, atom tidak memiliki massa yang sama persis, dan ini mempengaruhi perilaku getaran kolektif atom.
"Beberapa efek ini dapat ditekan — tetapi biasanya tidak semua sekaligus," kata Madsen. "Seperti bermain Whack-A-Mole: Anda menyelesaikan satu masalah, dan pada saat yang sama masalah baru muncul di tempat lain."
Logam biasanya memiliki konduktivitas termal yang mediocre. Logam dengan konduktivitas termal tertinggi yang dikenal adalah perak — dengan hanya sebagian dari konduktivitas bahan rekor: berlian. Tetapi berlian mahal dan sangat sulit diproses.
Dengan analisis teoritis yang rumit dan simulasi komputer, tim akhirnya berhasil mengidentifikasi bahan yang sesuai: fase θ-heksagonal dari nitida tantalum. Tantalum sangat menguntungkan karena hampir tidak memiliki isotop yang berbeda. Hampir 99,99% tantalum yang terjadi secara alami adalah isotop tantalum 181; varian lainnya hampir tidak terjadi.
"Kombinasi dengan nitrogen dan geometri skala atom khusus membuat fase ini logam, dan menekan interaksi getaran yang membawa panas dengan getaran lain dan dengan elektron yang menghantarkan. Itulah interaksi yang menghambat konduksi panas dalam bahan lain," kata Madsen. "Interaksi ini tidak mungkin dalam bahan ini karena akan melanggar hukum konservasi energi."
Oleh karena itu, bentuk nitida tantalum ini menggabungkan beberapa keuntungan penting, menjadikannya bahan rekor dengan konduktivitas termal beberapa kali lebih tinggi dari perak dan setara dengan berlian. Menurut Madsen, nitida tantalum adalah bahan yang sangat menjanjikan untuk industri chip. "Chip semakin kecil dan lebih canggih, jadi konduksi panas menjadi masalah yang semakin besar. Tidak ada bahan lain yang menyelesaikan masalah ini lebih baik dari fase θ nitida tantalum," katanya.
