I diamanti sono noti per la loro eccezionale conducibilità termica nota. I campioni di diamante CVD (Chemical Vapour Deposition) raggiungono solitamente valori compresi tra 1000 e 2200 W/mK [1,2], mentre i campioni rari e di elevata purezza arrivano fino a 3320 W/mK. [2,3] Questa proprietà rende il diamante un candidato ideale per la dissipazione del calore nell’elettronica ad alte prestazioni, nei sistemi laser e in altre applicazioni che richiedono una gestione termica efficiente. [4] Misurare con precisione la conduttività termica dei campioni di diamante è fondamentale per ottimizzare la qualità del materiale e comprenderne le prestazioni in ambienti termici difficili.
Perché i diamanti hanno una conducibilità termica e una diffusività termica così elevate?
La conducibilità termica dei diamanti deriva dalla loro struttura atomica e dalle loro proprietà uniche [2,3]:
1. forti legami covalenti: La struttura tetraedrica tridimensionale, in cui ogni atomo di carbonio è legato covalentemente ad altri quattro, crea un reticolo rigido che trasferisce efficacemente il calore.
2. bassa massa atomica: gli atomi di carbonio sono relativamente leggeri, quindi possono vibrare rapidamente, il che facilita il rapido trasferimento di calore attraverso le vibrazioni del reticolo, note anche come fononi, che trasportano rapidamente il calore.
3. alta velocità dei foni: l’ alta velocità dei foni è dovuta alla rigidità e alle forti forze interatomiche. Questo permette all’energia termica di viaggiare più velocemente attraverso il reticolo.
4. alta temperatura di Debye: la struttura del diamante supporta le vibrazioni ad alta frequenza, anche a temperature elevate, mantenendo così la conducibilità termica. [4]
5. bassa dispersione dei fononi: la struttura cristallina simmetrica riduce al minimo la dispersione in modo che i fononi possano percorrere lunghe distanze senza perdere energia. [4]
6 Purezza isotopica: la massa atomica uniforme di un diamante riduce ulteriormente la diffusione e migliora la propagazione dei foni. [6]
Questi fattori rendono i diamanti ideali per le applicazioni che richiedono un’elevata conducibilità termica, come il raffreddamento di dispositivi elettronici e sistemi laser ad alta potenza.
I campioni di diamante ad alta conducibilità possono essere analizzati con l’analizzatore a frequenza laser Linseis (TF-LFA). Analizzatore di frequenza laser Linseis (TF-LFA) che utilizza la tecnica della termoriflettanza nel dominio della frequenza per caratterizzare il comportamento termico e garantire un controllo di qualità nelle applicazioni in cui è fondamentale un’efficiente dissipazione del calore. Misurazioni accurate della conducibilità termica sono essenziali per verificare la qualità e le prestazioni dei campioni di diamante, poiché fattori come la dimensione dei grani, la purezza e lo spessore possono influenzare le proprietà di trasporto.
La termoreflettanza nel dominio della frequenza (FDTR) è un metodo privilegiato per misurare la conducibilità termica di materiali come il diamante CVD, soprattutto in film sottili e campioni in microscala dove è essenziale un’alta risoluzione spaziale. L’analizzatore laser di frequenza Linseis (TF-LFA) è uno strumento ideale per questo scopo. L’FDTR utilizza un laser modulato per indurre un riscaldamento localizzato nel campione e misura la risposta di termoreflettanza del materiale a diverse frequenze di modulazione. Questa tecnica permette ai ricercatori di determinare la conducibilità termica modellando il flusso di calore attraverso il diamante e le sue interfacce.
Fonti:
[1] M. Shamsa, S. Ghosh, I. Calizo, V. Ralchenko, A. Popovich, A. A. Balandin; Thermal conductivity of nitrogenated ultrananocrystalline diamond films on silicon. J. Appl. Phys. 15 aprile 2008; 103 (8): 083538. https://doi.org/10.1063/1.2907865
[2] Zhang, Chunyan & Vispute, Ratnakar & Fu, Kelvin & Ni, Chaoying. (2023). Una revisione delle proprietà termiche dei film di diamante CVD. Journal of Materials Science. 58. 1-23 . https://doi.org/10.1007/s10853-023-08232-w.
[3] Wei L, Kuo PK, Thomas RL, Anthony TR, Banholzer WF (1993) Conducibilità termica del diamante monocristallino isotopicamente modificato. Phys Rev Lett 70(24):3764-3767. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.3764
[4] Pop E, Varshney V, Roy AK (2012) Proprietà termiche del grafene: fondamenti e applicazioni. MRS Bull 37(12):1273-1281. https://doi.org/10.1557/mrs.2012.203
[5] Mashali F, Languri E, Mirshekari G, Davidson J, Kerns D (2019) Caratterizzazione microstrutturale e termoelettrica dei nanofluidi di nanodiamante. 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) Trasporto termico e conduttanza ai confini dei grani in film sottili di diamante ultranocristallino. J Appl Phys. https://doi.org/10.1063/1.2199974.
