加州大学洛杉矶分校（UCLA）萨穆利工程学院胡永杰教授联合阿贡国家实验室多机构科研团队，在国际顶刊《Science》发表重磅成果：全球首次成功合成仅存在于理论预测中的金属单晶材料 ——θ 相氮化钽（θ-TaN），该材料室温最高导热率可达 1105 W/m・K，约为商用散热主力金属铜（400 W/m・K）的 3 倍，刷新人类实测金属导热性能纪录，有望彻底解决大算力 AI 芯片、GPU、数据中心算力集群的高热堆积难题。
当前 AI 产业高速迭代，高端大模型加速芯片、超算 GPU 单颗功耗突破千瓦，数据中心机架功率密度逼近 300kW 级别，芯片热失控、算力降频、器件寿命缩短成为行业共性痛点。长期以来，铜、银是电子封装、热沉、热管、热扩散层的核心导热材料，近百年来金属导热上限被锁定在 400 W/m・K 左右，传统金属散热材料已完全跟不上高算力芯片的发热需求；金刚石虽导热更强，但成本高昂、加工难度大，仅能少量用于超薄芯片夹层，无法规模化应用。
本次研发的 θ-TaN 属于亚稳态过渡金属氮化物，数十年间仅停留在理论建模阶段，一直无法实现高质量单晶制备。研究团队采用熔剂辅助复分解反应工艺，制备出尺寸 10–100 微米、无杂相、表面完整的纯相 θ-TaN 单晶；依托同步辐射 X 射线散射、高分辨透射电镜、超快光学光谱等多套表征设备，完整验证材料六方有序晶格结构，实测导热性能与第一性原理理论计算高度吻合。
科研团队揭示其超高导热核心机理：独特原子排布形成大声学 – 光学声子带隙，产生声子聚束效应，大幅抑制声子散射；同时材料内部电子 – 声子耦合作用极弱，热量可通过晶格、电子双通道高效传导。测试显示，该材料在 150K–600K 宽温域内导热性能稳定，晶体全域导热均匀，超高导热为本征材料属性，不受杂质、缺陷干扰，适配芯片长期高温工作环境。
对比现有散热材料优势显著：
- 导热性能断层领先：最高 1105 W/m・K，是铜的 3 倍、铝的 5 倍以上；
- 金属属性适配半导体工艺：兼具金属导电特性与陶瓷热稳定、耐氧化优势，可兼容芯片封装、基板、热界面、微通道冷板全流程制造；
- 宽温域稳定输出：高低温工况下无性能衰减，适配数据中心、车载算力、AI 服务器等多场景；
- 成本潜力优于金刚石：原料钽基化合物加工工艺成熟，规模化后有望替代高端铜基散热组件。
UCLA 胡永杰教授表示，当下 AI 算力散热已经成为制约产业发展的核心瓶颈，传统铜基热管理方案接近性能极限。θ-TaN 的成功制备打破了金属导热的固有认知，开辟全新高性能热管理材料路线。未来团队将推进大尺寸单晶生长、薄膜沉积工艺研发，推动材料落地 AI 芯片封装、HBM 显存散热、功率半导体、储能变流器等场景，缓解算力基础设施散热压力，提升芯片峰值算力释放空间与设备使用寿命。
行业专家解读称，该成果具备极强产业化价值：若将 θ-TaN 用于 AI 芯片热扩散层、基板与冷板，可大幅降低芯片核心热点温度，减少液冷配套投入，降低数据中心 PUE 能耗；同时为下一代 3D 堆叠芯片、光计算芯片、高功率车载智算芯片提供全新散热材料方案，重塑半导体热管理产业链格局。
目前该材料仍处于实验室小尺寸单晶研发阶段，团队下一步将攻克大面积薄膜、块体材料制备技术，同步开展蚀刻、键合等半导体适配工艺验证，加速从实验室走向芯片量产产线。
