ダイヤモンドはその卓越した熱伝導性で知られている。 熱伝導性知られています。CVD（化学気相成長）ダイヤモンドのサンプルは、通常1000～2200W/mKの値を示します。 [1,2]希少で高純度のサンプルは3320W/mKまで対応する。 [2,3] この特性により、ダイヤモンドは、高性能電子機器やレーザーシステムなど、効率的な熱管理を必要とするアプリケーションの放熱に理想的な候補となります[4]。[ダイヤモンド試料の熱伝導率を正確に測定することは、材料の品質を最適化し、要求の厳しい熱環境におけるダイヤモンドの性能を理解する上で非常に重要 です 。
なぜダイヤモンドは熱伝導率と熱拡散率が高いのか？
ダイヤモンドの熱伝導率は、そのユニークな原子構造と特性から生まれる [2,3]:
1.強い共有結合：各炭素原子が他の4つの原子と共有結合している三次元四面体構造は、熱を効率的に伝達する剛直な格子を作り出す。
2.原子量が少ない：炭素原子は比較的軽いため、素早く振動することができ、フォノンとも呼ばれる格子振動によって熱を素早く伝えることができる。
3. 高いフォノンスピード：格子の剛性と強い原子間力によりフォノンスピードが速い。このため、熱エネルギーが格子内を速く伝わる。
4. 高いデバイ温度：ダイヤモンドの構造は、高温でも高周波振動を支え、熱伝導性を維持する。 [4]
5. フォノンの散乱が少ない：対称的な結晶構造は散乱を最小にするため、フォノンはエネルギーを失うことなく長距離を移動することができる。 [4]
6 同位体純度：ダイヤモンドの原子量が均一であるため、散乱がさらに減少し、フォノンの伝搬が改善される。 [6]
これらの要因により、ダイヤモンドは、電子機器や高出力レーザーシステムの冷却など、高い熱伝導性を必要とする用途に最適です。
導電率の高いダイヤモンド試料は、以下の装置で分析できます。 レーザー周波数アナライザー (TF-LFA) TF-LFAは、周波数領域サーモフレクタンス法を用いて熱挙動を評価し、効率的な熱放散が重要なアプリケーションの品質管理を確実にします。正確な熱伝導率測定は、粒径、純度、厚さなどの要因が輸送特性に影響するため、ダイヤモンド試料の品質と性能を確認するために不可欠です。
周波数領域熱反射率(FDTR)は、CVDダイヤモンドのような材料の熱伝導率測定、特に高い空間分解能が不可欠な薄膜やマイクロスケールのサンプルで好んで使用される方法です。Linseis Laser Frequency Analyser (TF-LFA)はこの目的に理想的なツールです。FDTRは、変調レーザーを使用して試料に局所的な加熱を誘発し、異なる変調周波数における材料の熱反射率応答を測定します。この技術により、研究者はダイヤモンドとその界面を通る熱の流れをモデル化することで、熱伝導率を決定することができます。
情報源
[1] M. Shamsa, S. Ghosh, I. Calizo, V. Ralchenko, A. Popovich, A. A. Balandin; Thermal conductivity of nitrogenated ultranocrystalline diamond films on silicon.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).CVD ダイヤモンド薄膜の熱特性に関する総説。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) 同位体修飾された単結晶ダイヤモンドの熱伝導率。Phys Rev Lett 70(24):3764-3767. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.3764
[4] Pop E, Varshney V, Roy AK (2012) Thermal properties of graphene: fundaments and applications.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) Nanodiamond nanofluid microstructural and thermo-electrical characterisation.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) Thermal transport and grain boundary conductance in ultraranocrystalline diamond thin films.J Appl Phys.https://doi.org/10.1063/1.2199974.
