突破极限，热导率是铜的三倍！新型金属材料，登上Science！

米测MeLab

2026-02-15

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

高效热管理对电子设备的性能和可靠性至关重要。长期以来，金属散热材料（如铜）的热导率受限于电子-声子散射和声子非谐性，上限一直保持在约400 W/m·K。随着芯片功率密度的激增，急需开发突破这一百年极限的新型超高导热金属材料。

关键问题

目前，超高导热金属材料的开发主要存在以下问题：

1、金属热导率的物理瓶颈

传统金属的热输运受电子-声子相互作用和软晶格引起的声子非谐性限制，这会降低电子和声子的寿命，使金属热导率难以逾越铜和银的水平。

2、亚稳态相的合成与表征挑战

虽然理论预测 θ-TaN 具有极高热导率，但其作为亚稳态相，合成需要极高的压力和温度，且容易产生缺陷和晶界，导致实验测得的性能远低于理论预期。

新思路

有鉴于此，加州大学胡永杰等人报道了单晶θ相氮化钽（θ-TaN）的实验实现，这是一种被预测能突破此限制的亚稳态过渡金属氮化物。正在测得其室温热导率约为1100 W/m·K，几乎是铜的三倍。同步辐射非弹性X射线散射揭示了其独特的声子能带结构，具有巨大的声学-光学能隙和声子聚拢效应，从而抑制了声子-声子散射。超快光学光谱确认了极弱的电子-声子耦合，并验证了第一性原理计算。这些发现重新定义了金属材料的热输运极限，为推进电子和电力系统的热管理提供了新机遇。

技术方案：

1、合成并表征了单晶θ-TaN

研究采用钠助熔剂复分解法成功合成高质量θ-TaN单晶，SEM、S-XRD和HRTEM表征证实其优异结晶度与单晶性，为研究本征热输运性质奠定基础。

2、测量了θ-TaN中的热导率

研究人员利用TDTR技术测得θ-TaN室温热导率达1100 W/m·K，为金属材料最高值，且热量主要由声子承载，兼具金属电导率与超高导热性。

3、揭示了弱声子散射机制

研究者利用IXS揭示θ-TaN超高热导率机制：声子能带聚拢、同位素散射极弱及三声子过程主导共同延长声子寿命，显著降低了热阻。

4、研究了弱电子-声子相互作用与超快动力学

θ-TaN电子-声子耦合极弱（λ≈0.0045），热电子弛豫时间长达15 ps，确保声子长距离高效输运，实现了金属中前所未有的超高热导率。

技术优势：

1、首次合成了单晶θ-TaN

本文首次成功合成出高质量单晶θ-TaN，并实验证实其热导率高达1100 W/m·K，打破了金属材料热导率的纪录。

2、揭示了超高热导率的起源

研究发现巨大的声-光能隙、声子聚拢效应及极弱的电-声耦合是其实现超长声子寿命和超高热导率的微观起源。

技术细节

单晶θ-TaN的合成与结构表征

本研究通过助熔剂辅助复分解反应成功合成了高质量的θ-TaN单晶。这种方法利用钠作为还原剂和助熔剂，在富氮环境下促进了钽氧化物的氮化，克服了传统高压高温合成路线的挑战，显著提升了晶体的结晶度和相纯度。结构表征显示，θ-TaN属于P6ˉm2空间群，其钽原子和氮原子形成相互贯穿的共价网络。扫描电子显微镜（SEM）观察到尺寸在10至100 μm之间的晶体，表面平滑且切面清晰。研究人员利用单晶X射线衍射（S-XRD）对整个晶体进行了360°旋转扫描，衍射点清晰且无扭曲，证实了其完美的单晶性，完全没有探测到晶界。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和电子能量损失谱（EELS）进一步在原子尺度上验证了均匀的钽、氮元素分布以及精确的晶格周期性。这些高质量样品的获得，为探测该材料的本征热输运性质奠定了基础。

图  单晶θ-TaN的结构表征

θ-TaN中测得的高热导率

研究人员采用基于超快光学的时域热反射技术（TDTR）测量了θ-TaN的热导率。结果显示，其室温热导率达到了1100 W/m·K，是目前所有金属材料中的最高值，约为铜的三倍。通过在150 K到600 K温度范围内的测量发现，其热导率随温度升高而显著下降，这与常规金属中电子主导的热输运不同，表明其热量主要由声子承载。尽管θ-TaN具有典型的金属电导率（约 1.5×10⁶ S/m），但根据维德曼-弗朗茨定律计算，其电子对热导率的贡献微乎其微。空间映射分析显示，热导率在整个晶体表面非常均匀（轴向约 1105 W/m·K，径向约 928 W/m·K），这不仅反映了极高的结晶质量，也证实了超高导热性源于本征的晶格行为。这种声子主导的导热模式使其在保持金属特性的同时，获得了类比钻石和氮化硼的散热能力。

图  θ-TaN热导率随温度变化的测量

声子能带结构的测量与弱声子散射机制

为了探究超高热导率的微观机制，研究者利用同步辐射非弹性X射线散射（IXS）声子聚拢（Bunching）效应，即纵向和横向声学支在能量上非常接近，缩小了声子间散射的相位空间。此外，由于天然钽中¹⁸¹Ta同位素占比高达99.988%，同位素散射极弱，几乎可以忽略不计。第一性原理计算分析显示，在大部分频率范围内，三声子过程占据主导，但由于前述能带特征的保护，声子寿命得以极大地延长。在6-8 THz的高频声学区域，传统的散射途径被关闭，使得四声子散射等高阶过程的影响相对凸显，这在金属材料中是非常罕见的现象。这些 lattice dynamics 特征共同支撑了其极低的热阻。

图  θ-TaN声子带结构和散射机制的实验测量和第一性原理理论

弱电子-声子相互作用与超快动力学

θ-TaN区别于普通金属的另一显著特点是其极弱的电子-声子耦合。实验测得其耦合强度λ≈0.0045，远低于铜、铝等常见金属。Eliashberg 函数计算表明，在声学声子区（热量的主要载体所在区），电子-声子散射极低，这意味着传导电子几乎不会通过碰撞损耗声子的热动量。研究人员利用超快泵浦-探测光谱直接观测了载流子弛豫动力学。实验显示，θ-TaN的热电子能量弛豫时间长达约15 ps，比铜或铝（约 1 ps）长了一个数量级。这种漫长的弛豫过程是由于直接的电子-声学声子通道受阻，以及巨大的声-光能隙限制了热量从光学声子向声学声子的间接传递。这种独特的电子结构确保了声子能够长距离、高效率地输送热量，而不会被电子频繁散射，从而实现了金属材料中前所未有的超高热导率。

图  θ-TaN电子-声子相互作用和超快动力学的实验测量和第一性原理计算

展望

本研究成功合成并表征了单晶θ-TaN，实验测得其热导率高达1100 W/m·K，重新定义了金属材料的热输运极限。通过IXS和超快光谱揭示了巨大的声光能隙、声子聚拢以及极弱电-声耦合等机制对散射的有效抑制。这一发现不仅验证了相关理论预测，还为先进电子、航空航天和电力系统的高性能热管理提供了全新的材料平台和设计范式。

参考文献：

SUIXUAN LI, et al. Metallic θ-phase tantalum nitride has a thermal conductivity triple that of copper. Science, 2026, 391(6786): 707-711.

DOI: 10.1126/science.aeb1142

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb1142