Por Endika Vásquez

31 de marzo de 2021

Industria

Nitruro de tántalo, perfecto para la conductividad térmica.

¿Cómo eliminar el calor de la electrónica de la forma más rápida y eficiente posible? Un grupo de investigación de la Universidad Técnica de Viena ha encontrado la respuesta en el Nitruro de tántalo(III). Los resultados han sido publicados en el diario "Physical Review Letters".

Electrones y vibraciones de celosía

"Básicamente, existen dos mecanismos a través de los cuáles el calor se propaga en un material," explica el Profesor Georg Madsen del Instituto de Química de Materiales en TU Wien. "Primero, a través de los electrones que viajan por el material, transportando enertgía junto a ellos. Este es el mecanismo principal en los buenos conductores eléctricos. Segundo, a través de los fonones, que son vibraciones de celosía colectivas en el material." Los átomos de desplazan, causando vibraciones a sus adyacentes. En temperaturas altas, la conducción térmica por propagación de estas vibraciones suele tener el efecto decisivo.

Pero ni los electrones ni los fonones pueden viajar intactos a través del material. Existen varios procesos que perjudican y ralentizan esta propagación de energía térmica. Los electrones y los fonones pueden interactuar y desperdigarse, pero pueden verse detenidos por las irregularidades en el material.

En algunos casos, la conductividad puede ser extremadamente limitada por la presencia de diferentes isótopos (átomos similares con un número de neutrones diferente) de un mismo elemento en el material. En este caso, los átomos no comparten exáctamente la misma masa, afectando al comportamiento colectivo de los fonones.

Nitruro de tántalo, el as indicado

Aunque parezca lo contrario, los metales presentan una conductividad térmica mediocre. El metal conocido más conductivo es la plata, con una fracción de la conductividad del diamante, portador del récord de conductividad. Pero los diamantes no son viables por su precio y dificultad de labor.

A través de pruebas y simulaciones informáticas, el equipo encontró un material adecuado: la fase hexagonal del Nitruro de tántalo(III). El uso de tántalo es favorable debido a la consistencia en los isótopos que presenta. Cerca del 99.99% de los isótopos de tántalo presentes en la naturaleza son de tántalo 181, otras variantes siendo extremadamente raras.

"La combinación con nitrógeno y la geometría atómica hacen a esta fase metálica, y aminora las interacciones de las vibraciones encargadas de transportar el calor con los electrónes y otras vibraciones. Exáctamente esas son las interacciones que inhiben la conductividad térmica en otros materiales," acalara Georg Madsen. "Estas interacciones son imposibles en este material ya que violarían la ley de conservación de energía."

Entonces, esta forma del tántalo combina bastantes de las ventajas importantes a la hora de transferir calor, haciendo de esta un material récord con conductividad varias veces superior a la plata y comparable a la del diamante.

"Para la industria electrónica, este es un material muy prometedor," dice Madsen convencido. "Los chips se vuelven cada vez más pequeños y potentes, de manera que su transferencia térmica se convierte en un problema cada vez mayor. Ningún otro material cumple su cometido mejor que el TaN en fase θ."


Fuentes: TU Wien