يشتهر الماس بتوصيله الحراري الاستثنائي التوصيل الحراري الاستثنائي معروفة. وعادةً ما تصل قيم عينات الماس بالترسيب الكيميائي للبخار CVD (الترسيب الكيميائي للبخار) إلى قيم تتراوح بين 1000 و2200 واط/م كلفن [1،2]، وتصل العينات النادرة وعالية النقاء إلى 3320 واط/م كلفن. [2،3] وهذه الخاصية تجعل الماس مرشحًا مثاليًا لتبديد الحرارة في الإلكترونيات عالية الأداء وأنظمة الليزر والتطبيقات الأخرى التي تتطلب إدارة حرارية فعالة. [4] ويُعد القياس الدقيق للتوصيل الحراري لعينات الماس أمرًا بالغ الأهمية لتحسين جودة المواد وفهم أدائها في البيئات الحرارية الصعبة.
لماذا يتميز الماس بهذه الموصلية الحرارية العالية والانتشار الحراري؟
تنتج الموصلية الحرارية للماس من تركيبها الذري الفريد وخصائصها [2،3]:
1- الروابط التساهمية القوية: تخلق البنية رباعية الأوجه ثلاثية الأبعاد، حيث ترتبط كل ذرة كربون تساهمية بأربع ذرات أخرى، شبكة صلبة تنقل الحرارة بكفاءة.
2. الكتلة الذرية المنخفضة: ذرات الكربون خفيفة نسبيًا، لذلك يمكنها الاهتزاز بسرعة، مما يسهل الانتقال السريع للحرارة من خلال الاهتزازات الشبكية، والمعروفة أيضًا باسم الفونونات، والتي تنقل الحرارة بسرعة.
3- سرعة الفونون العالية: سرعة الفونون العالية بسبب صلابته والقوى القوية بين الذرات. وهذا يسمح للطاقة الحرارية بالانتقال بشكل أسرع عبر الشبكة.
4. درجة حرارة ديبي العالية: يدعم هيكل الماس الاهتزازات عالية التردد، حتى في درجات الحرارة العالية، وبالتالي يحافظ على التوصيل الحراري. [4]
5. تشتت الفونونات المنخفض: يقلل التركيب البلوري المتماثل من التشتت بحيث يمكن للفونونات الانتقال لمسافات طويلة دون فقدان الطاقة. [4]
6 النقاء النظائري: تقلل الكتلة الذرية الموحدة للماس من التشتت وتحسن انتشار الفونونات. [6]
هذه العوامل تجعل الماس مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب توصيلًا حراريًا عاليًا، مثل تبريد الإلكترونيات وأنظمة الليزر عالية الطاقة.
يمكن تحليل عينات الماس ذات الموصلية العالية باستخدام جهاز محلل تردد الليزر لينسيس (TF-LFA) الذي يستخدم تقنية الانعكاس الحراري لمجال التردد لتوصيف السلوك الحراري وضمان مراقبة الجودة في التطبيقات التي يكون فيها تبديد الحرارة بكفاءة أمرًا بالغ الأهمية. تُعد القياسات الدقيقة للتوصيل الحراري ضرورية للتحقق من جودة وأداء عينات الماس، حيث يمكن أن تؤثر عوامل مثل حجم الحبيبات والنقاء والسماكة على خصائص النقل.
يعد الانعكاس الحراري لمجال التردد (FDTR) طريقة مفضلة لقياس التوصيل الحراري في مواد مثل الماس CVD، خاصةً في الأغشية الرقيقة والعينات متناهية الصغر حيث تكون الدقة المكانية العالية ضرورية. ويُعد محلل تردد الليزر لينسيس (TF-LFA) أداة مثالية لهذا الغرض. ويستخدم جهاز التحليل الترددي الترددي الليزري الترددي ليزر مُعدَّل لاستحثاث تسخين موضعي في العينة ويقيس استجابة الانعكاس الحراري للمادة عند ترددات تعديل مختلفة. تسمح هذه التقنية للباحثين بتحديد التوصيل الحراري من خلال نمذجة تدفق الحرارة عبر الماس وواجهاته.
المصادر:
[1] M. Shamsa, S. Ghosh, I. Calizo, V. Ralchenko, A. Popovich, A. A. Balandin؛ التوصيل الحراري لأفلام الماس فوق البلورية النيتروجينية على السيليكون. J. Appl. Phys. 15 April 2008; 103 (8): 083538. https://doi.org/10.1063/1.2907865
[2] Zhang, Chunyan & Vispute, Ratnakar & Fu, Kelvin & Ni, Chaoying. (2023). مراجعة للخصائص الحرارية لأفلام الماس بتقنية CVD. مجلة علوم المواد. 58. 1-23 . https://doi.org/10.1007/s10853-023-08232-w.
[3] Wei L, Kuo PK, Thomas RL, Anthony TR, Banholzer WF (1993) الموصلية الحرارية للماس أحادي البلورة المعدل نظائرياً. Phys Rev Lett 70(24):3764-3767. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.3764
[4] Pop E، Varshney V، Roy AK (2012) الخصائص الحرارية للجرافين: الأساسيات والتطبيقات. MRS Bull 37(12):1273-1281. https://doi.org/10.1557/mrs.2012.203
[5] ماشالي ف، لانغوري إي، ميرشيكاري ج، ديفيدسون ج، كيرنز، د. كيرنز، (2019) توصيف البنية المجهرية للسوائل النانوية النانوية والبنية الحرارية الكهربائية. Int Commun Heat Mass Transfer 101:82-88. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2019.01.007
[6] Angadi MA, Watanabe T, Bodapati A, Xiao X, Auciello O, Carlisle JA, Eastman JA, Keblinski P, Schelling PK, Phillpot SR (2006) النقل الحراري والتوصيل الحدودي للحبوب في الأغشية الرقيقة الماسية فائقة البلورة. J Appl Phys. https://doi.org/10.1063/1.2199974.
