来源 | Science

链接 | https://doi.org/10.1126/science.aeb1142

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背景介绍

金属材料热导率长期受限于电子 - 声子相互作用、声子非简谐性，上限约 400 W/m.K（以铜为代表，占全球散热材料市场 30%）；第一性原理计算表明，亚稳态 θ 相氮化钽（θ-TaN）可能具备超高热导率，但此前因合成难度（需高压高温），缺乏高质量晶体及实验验证；此前制备的样品通常含有缺陷和混合相，导致其热输运性能远低于理论预期，使得对该材料本征热输运特性的探究及其理论预测的验证一直未能实现。

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成果掠影

近期，加利福尼亚大学洛杉矶分校的胡永杰教授团队通过熔剂辅助复分解反应成功合成出高质量单晶体 θ 相氮化钽（θ-TaN），是一种被预测可突破金属热导率极限的亚稳态过渡金属氮化物。研究人员测量到其室温热导率约为1100 W/m·K，几乎是铜的三倍，创下了金属材料的最高纪录。基于同步辐射的非弹性X射线散射揭示出其独特的声子能带结构，具有大的声学-光学声子带隙和声子聚束效应，从而抑制了声子-声子散射。超快光学光谱学证实了其异常弱的电子-声子耦合，验证了第一性原理计算的结果。这些发现重新定义了金属材料的热输运极限，并为电子和电力系统中的热管理技术进步开辟了新的机遇。研究成果以“Metallic θ-phase tantalum nitride has a thermal conductivity triple that of copper”为题发表在《Science》期刊。

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图文导读

图1.单晶θ-TaN的结构表征。（A）θ-TaN的六方晶体结构示意图。（B）θ-TaN晶体的扫描电子显微镜（SEM）图像。比例尺：（C）θ-TaN晶体的拉曼光谱，确认相纯度。（D）X射线衍射（XRD）光谱显示尖锐的衍射峰，所有这些都一致地指向θ相。（E）θ-TaN的单晶XRD图像。（F）从完整的单晶XRD数据集重构的θ-TaN的倒易晶格，证实了整个样品的单一结晶度。晶格常数测量为a = B = 2.94 μ m，θ-TaN的c = 2.89 μ m。（G）θ-TaN的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，显示原子分辨的晶格平面。插图：对应于[001]带轴的2D傅里叶变换;箭头指示（110）晶体方向。比例尺：（H）来自电子能量损失谱（EELS）测量的θ-TaN晶格的原子分辨元素映射，确认钽和氮的均匀分布。在（G）中的方框区域进行EELS。

图2. θ-TaN的热导率随温度变化的测量。（A）基于时域热反射（TDTR）的超快泵浦探测装置示意图。（B）典型TDTR数据：热反射相位信号与时间的关系（红色圆圈），拟合热输运模型（蓝线）。计算曲线（黑色虚线）表示热导率的±10%偏差，以说明测量精度。（C和D）实验测量的θ-TaN的热导率（红点）与第一性原理计算的比较，考虑：三声子散射（蓝色虚线），组合的三声子和四声子散射（黑色虚线），以及全声子和电子-声子散射（红色固体）。在整个θ-TaN晶体上测量的热导率的2D空间映射。显示了沿沿着a轴（C）和c轴（D）的温度相关数据，比例尺：20 μm。

图3. θ-TaN中声子能带结构和散射机制的实验测量和第一性原理理论。（A）θ-TaN沿着Γ-M方向的代表性非弹性X射线散射（IXS）光谱。（B）从IXS（圆圈）和拉曼光谱实验测量的θ-TaN声子能带结构（三角形），覆盖第一原理计算（C）来自第一原理计算的声子散射率，显示了来自各种散射机制的贡献，包括三声子（蓝色），四声子（紫色），同位素（灰色）和电子-声子（橙子）散射过程。

图4. θ-TaN中电子-声子相互作用和超快动力学的实验测量和第一原理计算。（A）不同金属材料的总结，通过热导率（50-56）与电子-声子耦合强度（λ）（57-66）绘制，突出了θ-TaN作为一个新的基准，具有极高的热导率和弱耦合。（B）模式-分辨的声子态密度和Eliashberg函数α2F（ω），显示在声学与光学声子范围内弱得多的电子-声子耦合。（C）通过超快泵浦-探测测量表征载流子弛豫动力学的瞬态反射光谱实验的示意图。（D）时间-θ-TaN中光激发载流子扩散的解析二维映射。比例尺：（E）通过高斯拟合的半峰全宽平方（FWHM 2）量化的θ-TaN（红色）、Cu（绿色）和Al（蓝色）的随时间变化的电子弛豫曲线（插图）。θ-TaN中的弛豫时间测量为~ 15 ps，比Cu或Al长一个数量级，表明电子-声子相互作用非常弱。（F）通过θ-TaN（红色）、Cu（绿色）和Al（蓝色）中的电声声子散射对模式分辨电子能量衰减率的第一性原理计算。插图：θ-TaN中的光-声声子衰减率。