CVD金剛石熱導率的測量

更新時間：2024-12-12

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金剛石以其優異的導熱性能而聞名。CVD（化學氣相沉積）金剛石樣品的熱導率通常在1000至2200 W/mK之間，稀有的高純度金剛石熱導率甚至高達3320 W/mK。這種特性使金剛石成為高性能電子設備、激光系統和其他高效熱管理應用需求的理想散熱材料。準確測量金剛石樣品的熱導率對于優化材料質量和了解其在苛刻熱環境中的性能至關重要。

為什么金剛石具有如此高的熱導率和熱擴散率？

金剛石的導熱性能源于其特殊的原子結構和性質：

強共價鍵：三維四面體結構中的每個碳原子都與其他四個碳原子以共價鍵結合，形成了一個剛性晶格，可以有效地傳遞熱量。

低原子質量：碳原子相對較輕，因此可以快速振動，這有利于通過晶格振動（也稱為聲子）快速傳遞熱量。

高聲子速度：由于聲子的剛性和強大的原子間作用力，聲子的速度很高，這使得熱能在晶格中傳播得更快。

高Debye溫度：即使在高溫下，金剛石的結構也能支持高頻振動，從而保持導熱性能。

低聲子散射：對稱的晶體結構最大限度地減少了散射，因此聲子可以長距離傳播而不會損失能量。

同位素純度：金剛石均勻的原子質量進一步減少了散射，從而增強了聲子的傳播。

這些因素使金剛石成為需要高導熱性能材料應用領域的理想材料，如電子設備和大功率激光系統的散熱。

金剛石結構圖

紅線、藍線和深紅線的長度相同，金剛石晶格常數 a = 357 pm。這表示一個常規晶胞。

具有高導熱性能的金剛石樣品可以使用Linseis TF-LFA（熱反射法薄膜導熱儀）進行分析，該儀器使用頻域熱反射技術來表征材料的熱性能，并確保在高效散熱至關重要的應用中進行質量控制。由于晶粒尺寸、純度和厚度等因素都會影響傳輸性能，因此準確的熱導率測量對于驗證金剛石樣品的質量和性能至關重要。

頻域熱反射法（FDTR）是測量CVD金剛石等材料熱導率的優選方法，尤其是在需要高空間分辨率的微納米級薄膜樣品中。Linseis TF-LFA是實現這一目標的理想工具。

FDTR 使用調制激光誘導樣品局部加熱，并測量材料在不同調制頻率下的熱反射響應信號。通過這項技術，研究人員可以對流經金剛石及其界面的熱流進行建模，從而確定熱導率。

CVD 金剛石的熱性能測量

x 軸顯示以赫茲為單位的對數縮放頻率，y 軸顯示泵浦激光與樣品激光之間的相位差。這里??是熱導率，??是熱擴散率，e 是傳熱效率，TBC 是傳感器層（金）與樣品（金剛石）之間的熱邊界導熱率。它決定了組合材料之間的熱交換能力。

參考：

[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. April 15, 2008; 103 (8): 083538. https://doi.org/10.1063/1.2907865
[2] Zhang, Chunyan & Vispute, Ratnakar & Fu, Kelvin & Ni, Chaoying. (2023). A review of thermal properties of CVD diamond films. 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) Thermal properties of graphene: fundamentals 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 characterization. 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.