引 言

美国加州大学洛杉矶分校Yongjie Hu团队，在《科学》杂志上发表最新研究，首次成功合成高质量单晶θ相氮化钽（θ-TaN），并实验测得其在室温下的热导率高达约1100Wm^-1K^-1，是纯铜（约400Wm^-1K^-1）的近三倍，刷新了金属材料的导热性能纪录。

第一章 金属的散热困境

在电子设备中，高效散热是保证性能、可靠性和能效的基础。金属材料因良好的导热性，被广泛用作散热片、热扩散板、互连线和封装基板。铜作为主流散热材料，占据了全球约30%的市场份额。然而，金属的导热能力受限于其内部微观物理过程。热量在金属中主要通过电子和声子（晶格振动的能量量子）两种载体传输。在常规金属中，电子与声子之间存在强烈的相互作用（电子-声子耦合），导致能量在两者间频繁交换，相互散射，从而降低了各自的导热效率。

与此同时，声子之间也存在非谐相互作用（声子-声子散射），进一步缩短声子寿命，削弱晶格对导热的贡献。这些固有的散射机制使得绝大多数金属的热导率被限制在400Wm^-1K^-1左右，这一上限已持续了一个多世纪。

第二章 特殊的金属氮化物

近年来的第一性原理计算为寻找新型高热导材料提供了方向。理论预测指出，一种亚稳态的过渡金属氮化物—θ相氮化钽，可能具备突破性的导热性能。其潜在的高热导率源于三个关键特性：超强的原子键合、极弱的声子非谐性，以及反常的低电子-声子耦合强度。尽管早在20世纪50年代就有关于θ-TaN的报道，但其合成需要在数千开尔文温度和数吉帕斯卡压力的极端条件下进行，且极易产生晶界、缺陷和杂相，导致实际样品的性能远低于理论预测。因此，其非凡的导热性能一直未被实验证实。

第三章 合成突破：助熔剂法实现高质量单晶生长

为攻克合成难题，本研究团队开发了一种助熔剂介导的复分解反应法。该方法以钠同时作为还原剂和助熔剂，在富氮环境中实现了氧化钽的氮化。相较于传统高压高温法，该路径更温和、可控，成功制备出结晶度高、相纯度高、缺陷少、尺寸达10-100微米的θ-TaN单晶。通过扫描电镜、拉曼光谱、单晶X射线衍射、高分辨透射电镜及电子能量损失谱等一系列精细表征，团队全面证实了所获晶体为具有完美六方结构的高质量单晶，空间群为P6m2，晶格常数与理论预测高度吻合。

图1 单晶θ-TaN的结构表征

第四章 热导率空间分布均匀且各向异性

研究团队采用时域热反射法（TDTR），一种非接触、高空间分辨的超快光学测量技术，系统测量了θ-TaN单晶的热导率及其温度依赖性。结果显示，室温下沿晶体a轴方向热导率约为1105±134Wm^-1K^-1，沿c轴方向约为928±111Wm^-1K^-1。空间扫描图谱证实，高热导率在整个晶体范围内分布均匀，体现了样品优异的结晶质量。随着温度升高，其热导率显著下降，这是声子主导导热材料的典型特征，与常规金属（电子主导导热）的弱温度依赖性形成鲜明对比。

图2 单晶θ-TaN热导率测量

第五章 微弱的电子-声子耦合

为理解其超高导热的物理根源，团队利用同步辐射非弹性X射线散射直接测量了θ-TaN的声子能带结构，并与第一性原理计算结果相互验证。

实验发现两个关键特征：

· 存在一个约8THz的大声学-光学声子带隙，这极大地抑制了声学声子与光学声子之间的散射。

· 声学支存在明显的“聚束效应”，即不同声学支在能量上紧密聚集，这缩小了满足能量-动量守恒的散射相空间，进一步削弱了声子-声子散射。

此外，得益于天然钽中¹⁸¹Ta同位素丰度高达99.988%，由同位素质量无序引起的散射也微乎其微。θ-TaN的独特之处在于，它虽具有金属性的电子结构，但其电子-声子耦合强度极低（λ≈0.0045）。团队通过计算Eliashberg谱函数发现，在主要的载热声学声子区域，耦合强度尤其微弱。超快瞬态反射显微实验为此提供了直接证据。在典型金属如铜、铝中，热电子能量弛豫时间约为1皮秒，而在θ-TaN中，这一时间延长至约15皮秒，直观反映了其电子-声子相互作用的微弱。这种弱耦合使得电子对声子输运的干扰降到最低，从而保护了由长寿命声子实现的高效导热通道。

图3 电子-声子相互作用及θ-TaN超快动力学的实验测量和第一性原理计算

终章 总结与展望

本研究通过创新的合成方法，首次成功制备出高质量θ-TaN单晶，并实验验证了其高达1100Wm^-1K^-1的超高热导率，为金属材料导热性能设立了新标杆。研究结合精密的实验测量与深入的理论分析，揭示了其高性能源于大声子带隙、声子聚束、同位素纯度高以及极弱的电子-声子耦合等多重因素的协同作用，为高功率电子器件、先进芯片封装、高效热界面材料等领域提供了极具潜力的新选择。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb1142

撰稿｜吉   勋

指导｜刘玉龙

编辑｜陈治光  王海月