Diamenty są znane ze swojej wyjątkowej przewodności cieplnej znane. Próbki diamentów CVD (Chemical Vapour Deposition) zwykle osiągają wartości od 1000 do 2200 W/mK [1,2], a rzadkie próbki o wysokiej czystości nawet do 3320 W/mK [2 ,3 ]. Ta właściwość sprawia, że diament jest idealnym kandydatem do rozpraszania ciepła w wysokowydajnej elektronice, systemach laserowych i innych zastosowaniach wymagających wydajnego zarządzania ciepłem [ 4 ]. Dokładny pomiar przewodności cieplnej próbek diamentowych ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji jakości materiału i zrozumienia jego wydajności w wymagających środowiskach termicznych [4] .
Dlaczego diamenty mają tak wysoką przewodność cieplną i dyfuzyjność cieplną?
Przewodność cieplna diamentów wynika z ich unikalnej struktury atomowej i właściwości [2,3]:
1. silne wiązania kowalencyjne: Trójwymiarowa struktura tetraedryczna, w której każdy atom węgla jest kowalencyjnie związany z czterema innymi, tworzy sztywną siatkę, która skutecznie przenosi ciepło.
2. niska masa atomowa: atomy węgla są stosunkowo lekkie, więc mogą szybko wibrować, co ułatwia szybkie przenoszenie ciepła poprzez drgania sieci, znane również jako fonony, które szybko przenoszą ciepło.
3. Wysoka prędkość fononów: Wysoka prędkość fononów dzięki sztywności i silnym siłom międzyatomowym. Pozwala to energii cieplnej na szybsze przemieszczanie się przez sieć.
4. wysoka temperatura Debye’a: Struktura diamentu wspiera wibracje o wysokiej częstotliwości, nawet w wysokich temperaturach, a tym samym utrzymuje przewodność cieplną. [4]
5. niskie rozpraszanie fononów: Symetryczna struktura kryształu minimalizuje rozpraszanie, dzięki czemu fonony mogą przemieszczać się na duże odległości bez utraty energii. [4]
6 Czystość izotopowa: Jednolita masa atomowa diamentu dodatkowo zmniejsza rozpraszanie i poprawia propagację fononów. [6]
Czynniki te sprawiają, że diamenty są idealne do zastosowań wymagających wysokiej przewodności cieplnej, takich jak chłodzenie elektroniki i systemów laserowych o dużej mocy.
Próbki diamentów o wysokiej przewodności mogą być analizowane za pomocą Laserowego Analizatora Częstotliwości Linseis (TF-LFA) który wykorzystuje technikę termorefleksji w dziedzinie częstotliwości w celu scharakteryzowania zachowania termicznego i zapewnienia kontroli jakości w zastosowaniach, w których wydajne rozpraszanie ciepła ma kluczowe znaczenie. Dokładne pomiary przewodności cieplnej są niezbędne do weryfikacji jakości i wydajności próbek diamentowych, ponieważ czynniki takie jak wielkość ziarna, czystość i grubość mogą wpływać na właściwości transportowe.
Termorefleksja w dziedzinie częstotliwości (FDTR) jest preferowaną metodą pomiaru przewodności cieplnej w materiałach takich jak diament CVD, zwłaszcza w cienkich warstwach i próbkach w mikroskali, gdzie niezbędna jest wysoka rozdzielczość przestrzenna. Laserowy analizator częstotliwości Linseis (TF-LFA) jest idealnym narzędziem do tego celu. FDTR wykorzystuje modulowany laser do indukowania lokalnego ogrzewania w próbce i mierzy odpowiedź termorefleksyjną materiału przy różnych częstotliwościach modulacji. Technika ta pozwala badaczom określić przewodność cieplną poprzez modelowanie przepływu ciepła przez diament i jego interfejsy.
Źródła:
[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 April 2008; 103 (8): 083538. https://doi.org/10.1063/1.2907865
[2] Zhang, Chunyan & Vispute, Ratnakar & Fu, Kelvin & Ni, Chaoying. (2023). Przegląd właściwości termicznych warstw diamentowych 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) Thermal conductivity of isotopically modified single crystal diamond. Phys Rev Lett 70(24):3764-3767. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.3764
[4] Pop E, Varshney V, Roy AK (2012) Właściwości termiczne grafenu: podstawy i zastosowania. 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) Mikrostrukturalna i termoelektryczna charakterystyka nanofluidu nanodiamentowego. 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 ultrananocrystalline diamond thin films. J Appl Phys. https://doi.org/10.1063/1.2199974.
