Os diamantes são conhecidos pela sua excecional condutividade térmica conhecida. As amostras de diamante CVD (Chemical Vapour Deposition) atingem normalmente valores entre 1000 e 2200 W/mK [1,2], sendo que amostras raras e de elevada pureza chegam mesmo a atingir 3320 W/mK. [ 2,3] Esta propriedade torna o diamante um candidato ideal para a dissipação de calor em eletrónica de alto desempenho, sistemas laser e outras aplicações que requerem uma gestão térmica eficiente. [ 4] A medição exacta da condutividade térmica das amostras de diamante é fundamental para otimizar a qualidade do material e compreender o seu desempenho em ambientes térmicos exigentes.
Porque é que os diamantes têm uma condutividade térmica e uma difusividade térmica tão elevadas?
A condutividade térmica dos diamantes resulta da sua estrutura atómica e propriedades únicas [2,3]:
1. ligações covalentes fortes: A estrutura tetraédrica tridimensional, na qual cada átomo de carbono está ligado covalentemente a quatro outros, cria uma estrutura rígida que transfere calor de forma eficiente.
2. Baixa massa atómica: Os átomos de carbono são relativamente leves, pelo que podem vibrar rapidamente, o que facilita a rápida transferência de calor através das vibrações da rede, também conhecidas como fónons, que transportam o calor rapidamente.
3. Alta velocidade dos fónons : Alta velocidade dos fónons devido à sua rigidez e às fortes forças interatómicas. Isto permite que a energia térmica viaje mais rapidamente através da rede.
4. Alta temperatura de Debye: A estrutura do diamante suporta vibrações de alta frequência, mesmo a altas temperaturas, e assim mantém a condutividade térmica. [4]
5. Baixa dispersão de fonões: A estrutura cristalina simétrica minimiza a dispersão, de modo que os fonões podem viajar longas distâncias sem perder energia. [4]
6 Pureza isotópica: A massa atómica uniforme de um diamante reduz ainda mais a dispersão e melhora a propagação dos fões. [6]
Estes factores tornam os diamantes ideais para aplicações que requerem uma elevada condutividade térmica, como o arrefecimento de componentes electrónicos e sistemas laser de alta potência.
As amostras de diamante com elevada condutividade podem ser analisadas com o Analisador de Frequência Laser Linseis (TF-LFA) que utiliza a técnica de Termorreflectância no Domínio da Frequência para caraterizar o comportamento térmico e assegurar o controlo de qualidade em aplicações onde a dissipação eficiente do calor é crítica. As medições precisas da condutividade térmica são essenciais para verificar a qualidade e o desempenho das amostras de diamante, uma vez que factores como a dimensão do grão, a pureza e a espessura podem afetar as propriedades de transporte.
A termorreflectância no domínio da frequência (FDTR) é um método preferido para medir a condutividade térmica em materiais como o diamante CVD, especialmente em películas finas e amostras de microescala em que é essencial uma elevada resolução espacial. O Analisador de Frequência Laser Linseis (TF-LFA) é uma ferramenta ideal para este fim. O TF-LFA utiliza um laser modulado para induzir um aquecimento localizado na amostra e mede a resposta de termorreflectância do material a diferentes frequências de modulação. Esta técnica permite aos investigadores determinar a condutividade térmica através da modelação do fluxo de calor através do diamante e das suas interfaces.
Fontes:
[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 de abril de 2008; 103 (8): 083538. https://doi.org/10.1063/1.2907865
[2] Zhang, Chunyan & Vispute, Ratnakar & Fu, Kelvin & Ni, Chaoying. (2023). Uma revisão das propriedades térmicas dos filmes de diamante CVD. Revista de Ciência dos Materiais. 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) Propriedades térmicas do grafeno: fundamentos e aplicações. 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) Caracterização microestrutural e termoeléctrica de nanofluidos de 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) Thermal transport and grain boundary conductance in ultrananocrystalline diamond thin films. J Appl Phys. https://doi.org/10.1063/1.2199974.
