清华大学、南方科技大学及宁波东方理工大学联合攻关，成功制备出金属型θ-TaN单晶，其室温热导率最高可达502 W m⁻¹K⁻¹，突破了传统金属约400 W m⁻¹ K⁻¹的导热上限，导热能力超越铜、银等典型高导热金属。即便存在微量氮空位缺陷，其导热性能依然表现优异。这一成果为解决高端电子器件的热堆积难题提供了全新的材料方案。相关研究的共同第一作者为刘一哲、周雪峰和庞桂健，通讯作者为孙波、李武和王善民。
目前，芯片、功率器件等电子设备正向高集成、高功率方向快速发展。作为传统导热性能最佳的金属，铜和银的导热能力早已触碰"天花板"，设备在工作时的热量堆积问题愈发突出，不仅会导致性能下降、运行卡顿，还会显著缩短器件的使用寿命。过渡金属氮化物θ-TaN因兼具金属的导电性和陶瓷的高稳定性，被理论预测具有超高导热潜力，但此前一直难以制备出低缺陷的高质量单晶，其导热潜力始终未能实现。
在这项研究中，团队通过高温高压技术精准调控晶体生长，成功制备出低缺陷的θ-TaN单晶。经过中子衍射技术检测，该单晶仅含约1%的氮空位，结晶质量极佳（图1）。利用高精度的时域热反射技术（TDTR）测试发现，θ-TaN单晶的室温热导率在442~502 W m⁻¹K⁻¹之间，低温150开尔文时热导率峰值更是达到812 W m⁻¹K⁻¹；即便在高温环境下，其导热性能下降也十分平缓，450 K后的导热能力可与BAs等高性能非金属导热材料相媲美，适合高温散热场景。同时，θ-TaN还具备典型的金属导电特性，满足实际器件的应用需求（图2）。
图1. θ-TaN的晶体结构表征
图2. θ-TaN单晶的热导率表征
研究团队揭示了θ-TaN超高导热的奥秘：热量在固体中主要由声子传递，而θ-TaN的原子结构使声学与光学声子形成较大能量差，显著减少了声子之间的相互碰撞（图3）。此外，其费米能级附近的电子态密度低，声子与电子的碰撞也非常微弱。这两个因素共同降低了声子传递的阻碍。理论上，无缺陷的θ-TaN单晶热导率接近1000 W m⁻¹ K⁻¹，而氮空位是其导热性能的最大"绊脚石"，仅0.005%的氮空位就会导致热导率下降约40%；实验中1%的氮空位正是其热导率未达理论值的主要原因。此外，θ-TaN的电子对热量传递贡献仅占1.6%，这一特殊机制也是其突破金属导热上限的关键。
图3. θ-TaN中不同散射过程的散射率计算，包括三声子(3ph)、四声子(4ph)、声子-同位素(ph-iso)、声子-电子(ph-el)、声子-缺陷(ph-def)，0.005 %的氮空位和长度Lb = 7 μ m的声子边界(ph-bd)过程
该材料还具备优异的实用特性，740 ℃时才会在空气中氧化，这一温度远高于铜，也超过了金刚石等碳基散热材料。此外，其硬度高、耐磨抗腐蚀，能够适应高温和恶劣的极端工况。目前，θ-TaN在高功率芯片、航空航天高温结构部件等高端热管理领域的应用潜力巨大。如果能进一步优化工艺以消除氮空位，其导热性能还有望实现翻倍提升。然而，当前的制备技术面临成本高的问题，未来需要探索工业成熟技术以实现批量生产。这项研究不仅发现了一种高性能导热金属材料，更为设计突破传统限制的新型高热导金属提供了全新思路。
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