CVD金剛石熱導(dǎo)率的測(cè)量

更新時(shí)間：2025-07-14

點(diǎn)擊次數(shù)：1354

金剛石以其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能而聞名。CVD（化學(xué)氣相沉積）金剛石樣品的熱導(dǎo)率通常在1000至2200 W/mK之間，稀有的高純度金剛石熱導(dǎo)率甚至高達(dá)3320 W/mK。這種特性使金剛石成為高性能電子設(shè)備、激光系統(tǒng)和其他高效熱管理應(yīng)用需求的理想散熱材料。準(zhǔn)確測(cè)量金剛石樣品的熱導(dǎo)率對(duì)于優(yōu)化材料質(zhì)量和了解其在苛刻熱環(huán)境中的性能至關(guān)重要。

為什么金剛石具有如此高的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率？

金剛石的導(dǎo)熱性能源于其特殊的原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)：

強(qiáng)共價(jià)鍵：三維四面體結(jié)構(gòu)中的每個(gè)碳原子都與其他四個(gè)碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合，形成了一個(gè)剛性晶格，可以有效地傳遞熱量。

低原子質(zhì)量：碳原子相對(duì)較輕，因此可以快速振動(dòng)，這有利于通過晶格振動(dòng)（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(qiáng)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(jié)構(gòu)也能支持高頻振動(dòng)，從而保持導(dǎo)熱性能。

低聲子散射：對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)最大限度地減少了散射，因此聲子可以長(zhǎng)距離傳播而不會(huì)損失能量。

同位素純度：金剛石均勻的原子質(zhì)量進(jìn)一步減少了散射，從而增強(qiáng)了聲子的傳播。

這些因素使金剛石成為需要高導(dǎo)熱性能材料應(yīng)用領(lǐng)域的理想材料，如電子設(shè)備和大功率激光系統(tǒng)的散熱。

金剛石結(jié)構(gòu)圖

紅線、藍(lán)線和深紅線的長(zhǎng)度相同，金剛石晶格常數(shù) a = 357 pm。這表示一個(gè)常規(guī)晶胞。

具有高導(dǎo)熱性能的金剛石樣品可以使用Linseis TF-LFA（熱反射法薄膜導(dǎo)熱儀）進(jìn)行分析，該儀器使用頻域熱反射技術(shù)來表征材料的熱性能，并確保在高效散熱至關(guān)重要的應(yīng)用中進(jìn)行質(zhì)量控制。由于晶粒尺寸、純度和厚度等因素都會(huì)影響傳輸性能，因此準(zhǔn)確的熱導(dǎo)率測(cè)量對(duì)于驗(yàn)證金剛石樣品的質(zhì)量和性能至關(guān)重要。

頻域熱反射法（FDTR）是測(cè)量CVD金剛石等材料熱導(dǎo)率的優(yōu)選方法，尤其是在需要高空間分辨率的微納米級(jí)薄膜樣品中。Linseis TF-LFA是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的理想工具。

FDTR 使用調(diào)制激光誘導(dǎo)樣品局部加熱，并測(cè)量材料在不同調(diào)制頻率下的熱反射響應(yīng)信號(hào)。通過這項(xiàng)技術(shù)，研究人員可以對(duì)流經(jīng)金剛石及其界面的熱流進(jìn)行建模，從而確定熱導(dǎo)率。

CVD 金剛石的熱性能測(cè)量

x 軸顯示以赫茲為單位的對(duì)數(shù)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(dǎo)率，??是熱擴(kuò)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(dǎo)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.