Elmaslar olağanüstü özellikleri ile bilinir termal iletkenlik bilinmektedir. CVD (Kimyasal Buhar Biriktirme) elmas örnekleri genellikle 1000 ila 2200 W/mK [1,2] arasındaki değerlere, nadir ve yüksek saflıktaki örnekler ise 3320 W/mK’ya kadar ulaşmaktadır. [ 2,3] Bu özellik, elması yüksek performanslı elektroniklerde, lazer sistemlerinde ve verimli termal yönetim gerektiren diğer uygulamalarda ısı dağıtımı için ideal bir aday haline getirir. [ 4] Elmas numunelerin termal iletkenliğinin doğru bir şekilde ölçülmesi, malzeme kalitesinin optimize edilmesi ve zorlu termal ortamlardaki performansının anlaşılması için kritik öneme sahiptir.
Elmaslar neden bu kadar yüksek termal iletkenliğe ve termal difüziviteye sahiptir?
Elmasların termal iletkenliği, benzersiz atomik yapılarından ve özelliklerinden kaynaklanmaktadır [2,3]:
1. Güçlü kovalent bağlar: Her bir karbon atomunun diğer dördüne kovalent olarak bağlandığı üç boyutlu dört yüzlü yapı, ısıyı verimli bir şekilde aktaran sert bir kafes oluşturur.
2. Düşük atomik kütle: Karbon atomları nispeten hafiftir, bu nedenle hızlı bir şekilde titreşebilirler, bu da ısıyı hızlı bir şekilde taşıyan fononlar olarak da bilinen kafes titreşimleri yoluyla ısının hızlı transferini kolaylaştırır.
3. yüksek fonon hızı: Sertliği ve güçlü atomlar arası kuvvetleri nedeniyle yüksek fonon hızı. Bu, termal enerjinin kafes boyunca daha hızlı hareket etmesini sağlar.
4. yüksek Debye sıcaklığı: Elmasın yapısı, yüksek sıcaklıklarda bile yüksek frekanslı titreşimleri destekler ve böylece termal iletkenliği korur. [4]
5. Düşük fonon saçılması: Simetrik kristal yapı saçılmayı en aza indirir, böylece fononlar enerji kaybetmeden uzun mesafeler kat edebilir. [4]
6 İzotopik saflık: Bir elmasın tek tip atomik kütlesi saçılmayı daha da azaltır ve fonon yayılımını iyileştirir. [6]
Bu faktörler, elmasları elektronik ve yüksek güçlü lazer sistemlerinin soğutulması gibi yüksek termal iletkenlik gerektiren uygulamalar için ideal hale getirir.
Yüksek iletkenliğe sahip elmas numuneleri aşağıdaki yöntemle analiz edilebilir Linseis Lazer Frekans Analizörü (TF-LFA) Termal davranışı karakterize etmek ve verimli ısı dağılımının kritik olduğu uygulamalarda kalite kontrolü sağlamak için Frekans Alanı Termoreflektans tekniğini kullanır. Tane boyutu, saflık ve kalınlık gibi faktörler taşıma özelliklerini etkileyebileceğinden, elmas numunelerin kalitesini ve performansını doğrulamak için doğru termal iletkenlik ölçümleri gereklidir.
Frekans alanı termoreflektansı (FDTR), CVD elmas gibi malzemelerde, özellikle yüksek uzaysal çözünürlüğün gerekli olduğu ince filmlerde ve mikro ölçekli örneklerde termal iletkenliği ölçmek için tercih edilen bir yöntemdir. Linseis Lazer Frekans Analiz Cihazı (TF-LFA) bu amaç için ideal bir araçtır. FDTR, numunede lokalize ısıtmayı indüklemek için modüle edilmiş bir lazer kullanır ve farklı modülasyon frekanslarında malzemenin termoreflektans tepkisini ölçer. Bu teknik, araştırmacıların elmas ve ara yüzeyleri boyunca ısı akışını modelleyerek termal iletkenliği belirlemelerine olanak tanır.
Kaynaklar:
[1] M. Shamsa, S. Ghosh, I. Calizo, V. Ralchenko, A. Popovich, A. A. Balandin; Silikon üzerine nitrojenlenmiş ultrananokristal elmas filmlerin termal iletkenliği. J. Appl. Phys. 15 Nisan 2008; 103 (8): 083538. https://doi.org/10.1063/1.2907865
[2] Zhang, Chunyan & Vispute, Ratnakar & Fu, Kelvin & Ni, Chaoying. (2023). CVD elmas filmlerin termal özellikleri üzerine bir inceleme. Malzeme Bilimi Dergisi. 58. 1-23 . https://doi.org/10.1007/s10853-023-08232-w.
[3] Wei L, Kuo PK, Thomas RL, Anthony TR, Banholzer WF (1993) İzotopik olarak modifiye edilmiş tek kristal elmasın termal iletkenliği. Phys Rev Lett 70(24):3764-3767. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.3764
[4] Pop E, Varshney V, Roy AK (2012) Grafenin termal özellikleri: temeller ve uygulamalar. 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 nanoakışkan mikro yapısal ve termo-elektrik karakterizasyonu. Int Commun Isı Kütle Transferi 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) Ultrananokristalin elmas ince filmlerde termal taşıma ve tane sınırı iletkenliği. J Appl Phys. https://doi.org/10.1063/1.2199974.
