文章导读
你手头的散热问题可能比你想的严重：当芯片频率攀升，传统金属的导热瓶颈正悄悄决定产品能否上量、可靠性能否达标。大多数人还在靠铜铝或微结构散热“堆料”，却忽视了材料本身的物理极限——清华团队合成的θ-TaN单晶，把金属热导率推到了502 W·m⁻¹·K⁻¹，这个数字意味着什么？实测显示，即便有氮空位，这种结构仍甩开所有常规金属；原因并非表面处理，而是声学–光学声子能隙与费米能级附近电子态的“内在配合”，双重抑制了关键散射通路。换句话说，解决散热不是再换更厚的铜，而是要找到能从根本上降低声子散射的材料体系。文章透露了进一步通过优化晶体质量和空位控制可继续提升的线索——但这条“通往极限”的路径具体如何走，会直接决定你是否还能在下一代产品上占到先机？
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近日，清华大学深圳国际研究生院孙波团队与合作者通过高温高压法合成了具有超高导热性能的金属六方氮化钽（θ-TaN）单晶，突破金属材料长期存在的热导率上限，为先进热管理材料的研发开辟了新路径。
θ-TaN单晶导热
集成电路的发展长期受限于金属材料的散热性能，研究团队制备的θ-TaN单晶在室温下展现出高达502 W m⁻¹ K⁻¹的热导率。研究显示，即便样品中存在氮空位，其测得的导热性能仍超越所有传统金属导体。材料的高热导率主要源于其较大的声学–光学声子能隙有效抑制了三声子散射，同时费米能级附近较低的电子态密度显著削弱了声子-电子散射。该研究在金属材料超高热导率的探索中迈出了重要一步。
该工作为新一代高性能热管理材料的研发奠定了重要科学基础。研究进一步指出，优化晶体质量、减少空位浓度，有望进一步提升其热导性能，这为材料性能的持续优化指明了清晰路径。此外，研究合成的θ-TaN不仅具备优异的热导率，同时兼具高氧化温度和高热稳定性等特性，展现出其在先进热管理应用中的综合优势。这一成果为设计突破传统性能极限的金属导体提供了全新指导。
研究成果以“高导热金属氮化钽单晶”（High thermal conductivity in metallic θ-TaN single crystals）为题，于2月14日发表于《国家科学评论》（National Science Review）。
清华大学深圳国际研究生院2025届博士毕业生刘一哲为论文第一作者，南方科技大学周雪峰博士和宁波东方理工大学2024级博士生庞桂健为论文共同第一作者，清华大学深圳国际研究生院副教授孙波、宁波东方理工大学副教授李武和南方科技大学副教授王善民为论文通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwag106
供稿：深圳国际研究生院
编辑：李华山
审核：郭玲
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