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巨大能耗之下，散熱成為不容忽視的關鍵問題：晶片消耗的電能幾乎全部以熱的形式耗散出來。而在目前的晶片熱傳導路徑中，銅是散熱擴散層、熱管、蒸汽腔和封裝基板的主力材料，導熱率約為400 瓦每米每開爾文（W/m·K）。一個世紀以來，這就是金屬導熱的真實性能上限。
今年年初，加州大學洛杉磯分校（UCLA）薩繆利工程學院的胡永傑教授團隊在《科學》（Science）發文，他們造出一種曾經只存在於理論中的金屬材料：θ 相氮化鉭（θ-TaN）單晶。實驗發現，材料的室溫導熱率可達1,100 W/m·K 左右，接近銅的三倍。
θ-TaN 的70 年發現之旅
1950 年代，德國化學家布勞爾（Brauer）等人在高溫高壓條件下發現，TaN 存在一種θ 相。近年來，學界預測，θ-TaN 具備遠超常規金屬的本徵導熱率，潛在值接近鑽石和砷化硼。但先前有關θ-TaN 的研究都停留在理論層面，高品質θ-TaN 晶體始終未被造出，其導熱性能也無從驗證。
障礙主要在合成端。穩定θ 相需要在數千攝氏度環境下對材料施加數吉帕（GPa）壓力，加之氮化鉭體系中存在立方（δ-TaN）、六方（ε-TaN）、四方（t-TaN）等多種競爭晶相，過往合成的樣品幾乎都是含有晶界、缺陷與混相的多晶粉末。
而且，先前的理論分析也指出，如果θ-TaN 晶體有缺陷或雜質，其導熱率會遠低於理論值水準。
為解決這個難題，胡永傑團隊與日本東北大學（Tohoku University）多學科先進材料研究所的孝廣（Takahiro Yamada）等人合作，採用了一種名為助熔劑輔助複分解反應的技術：以金屬鈉同時充當還原劑和助熔劑，繞開傳統高壓合成路線，在富氮鉭環境下直接將氧化鉽晶晶為氧化鉭。
最終得到的θ-TaN 單晶尺寸在10 到100 微米之間，表面光潔、單一晶相。團隊進一步透過拉曼光譜、單晶X 射線衍射（S-XRD）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、電子能量損失譜（EELS）等表徵手段確認了樣品的結構完整性，證實其特徵與先前預測高度吻合。
成功造出單晶後，團隊終於有了驗證θ-TaN 導熱率的機會。測量結果顯示，在室溫條件下，θ-TaN 沿a 軸方向（六方晶格底面內）的導熱率約為1105 W/m·K，沿c 軸方向（垂直於底面）約為928 W/m·K，反映出θ-TaN 導熱性能的各向異性。而跨整個晶體掃描的空間分佈測量顯示，同一方向上導熱率在樣品各處保持一致，這表明測得的高導熱率來自晶格本徵行為，不是偶然現象。
（資料來源：Science）
θ-TaN 的優越導熱性能與其特殊的晶體結構密切相關。
在微觀層面，固體材料的導熱由兩類載體承擔：一是自由電子的定向流動，二是晶格原子的集體振動。後者在量子力學框架下定義為聲子（phonon），類比電子傳遞電流，聲子則在晶體裡傳遞熱量。
在銅、鋁、銀等常規金屬中，熱傳導主要由自由電子承擔，但電子與聲子的相互作用反而會消耗上述兩條通道的輸運能力；再者，其內部活躍的聲子-聲子散射會進一步削弱導熱。但θ-TaN 的特殊之處在於，其聲子-聲子的相互作用極弱，電子也幾乎不與聲子交換能量，同時把兩條散射通道都堵上了。
此外，鉭元素的一個自然屬性又提供了第三重加成。聲子在晶格中傳播時，如果遇到質量不一致的原子，也會發生散射，影響導熱。但鉭幾乎是單一同位素元素，天然鉭中¹⁸¹Ta 同位素的豐度高達99.988%，原子質量差異導致的散射在θ-TaN 上天然被削弱。
這些特性讓熱量可在θ-TaN 晶格中以罕見的低阻尼狀態傳輸，接近「晶格對熱運動透明」的理論極限。
以金屬之軀，達到鑽石等級的導熱性能
要注意的是，θ-TaN 只打破了金屬材料維持一百多年的導熱率紀錄，還有導熱性能更好的非金屬材料，例如鑽石（俗稱鑽石）。
天然鑽石的導熱率可達1,500~2,200 W/m·K，超純合成鑽石可達3,000 W/m·K。目前，工業上已在探索用化學氣相沉積（CVD）鑽石薄膜作為熱擴散層，直接鍵結至邏輯計算晶片的背面，用於台積電CoWoS 等2.5D/3D 先進封裝。
圖| 單晶CVD 鑽石薄膜（來源：WikiPedia）
但鑽石有三個顯著短板：生長速度慢、能耗高，製造成本居高不下；再者，鑽石是電絕緣體，加入電氣路徑時需要多一道工藝；最後，作為已知最硬的材料，對鑽石進行切割、拋光、打孔都極其困難，與矽工藝的兼容性偏弱。
面對這些劣勢，θ-TaN 的金屬屬性，及其與現有晶片封裝製程天然親和，讓它有望成為比鑽石更優的選擇。
首先，氮化鉭薄膜本身就是積體電路製造中常用的擴散阻擋層材料，目前的銅互連製程廣泛使用氮化鉭作為襯墊。 θ-TaN 若能以薄膜形式沉積，就能無縫銜接現有產線，無需引入額外製程。
此外，它既能充當晶片背面的熱擴散層，也可以作為熱界面材料（TIM）的高導熱填料，甚至有可能在高功率射頻器件和電力電子模組中，成為兼具導電與導熱功能的一體化互連層，光這一點，就是絕緣的鑽石做不到的。
不過，團隊也指出，受限於產能和製備難度，θ-TaN 短期內不太可能取代銅、鋁等塊狀散熱器材料，更現實的應用形態是被置於晶片和散熱器之間，充當高導熱中間層，功能類似上文提到的CVD 鑽石薄膜。而且，TaN 的θ 相在常溫常壓下是亞穩相，未來要進入產業，還需評估其長期熱穩定性。
在造出θ-TaN 之後，這項研究更重要的意義或許在於，團隊進一步釋放了金屬材料的導熱潛力。論文顯示，除了θ-TaN 之外，氮化鎢、磷化鉬等過渡金屬化合物的電子-聲子耦合也偏低。這為產業和學界提了個醒，或許可以對這些物質進行系統性地合成和測量，篩出更多具備高導熱性質的金屬材料。
讀報知天下事：科學家首次造出理論中的金屬材料