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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 |     北京时间8月25日，据名记Shams报道，波特兰开拓者队后卫谢登・夏普遭遇膝盖半月板撕裂的重伤，预计将缺席6个月。    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。队记海金跟进报道，夏普是在个人训练时右膝受伤。

B |          夏普是中国球员杨瀚森的队友。对于夏普来说，这一伤情不仅让他的新赛季征程提前遇阻，也彻底打乱了开拓者的阵容布局。

C |          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）。

D | 一个世纪以来，这就是金属导热的真实性能上限。

E | 作为球队重点培养的年轻核心之一，伤病频发也是夏普的主要问题，此前他就曾遭遇腓骨应力性伤势，长期受到体能与伤病问题困扰。         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。         半月板属于自愈能力极差的纤维软骨组织，此次撕裂伤势恢复难度极大，6个月的休养周期意味着他将大概率缺席新赛季常规赛不少比赛。队记海金表示，夏普可能要缺席前59场常规赛。         本赛季的开拓者本致力于完成阵容磨合与年轻阵容崛起，夏普凭借劲爆的身体素质、出色的攻防转换能力和稳定的得分输出，早已成为球队的重要火力点。他擅长突破终结、空切袭筐，兼具速度与运动天赋，是开拓者年轻阵容中最具观赏性与潜力的球员之一。他的长期缺阵，让球队外线轮转、冲击能力有所下滑。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。         对夏普个人而言，这次伤病是职业生涯的重大考验。         （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。

F | 半月板伤势极易留下后遗症，若康复训练不到位，可能影响膝盖爆发力与运动寿命，削弱他赖以立足联盟的速度和弹跳优势。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。

G | 不过年仅23岁的他拥有绝佳的身体天赋与恢复能力，只要严格遵循康复计划，循序渐进完成力量、平衡与功能性训练，规避二次伤病，依旧有机会满血回归。         障碍主要在合成端。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。         2025-26赛季，夏普为开拓者出战50场常规赛，场均贡献20.8分4.3篮板2.6助攻。         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。         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。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。         成功造出单晶后，团队终于有了验证 θ-TaN 导热率的机会。

H | 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。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。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。         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。

J | 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。

K |          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。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。         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。

L |          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。

M |          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。         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。

N | 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。

o | 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:02:27:16