CVD金刚石热导率的测量-技术文章-林赛斯（上海）科学仪器有限公司手机版

CVD金刚石热导率的测量

时间：2024-12-12 阅读：188

金刚石以其优异的导热性能而闻名。CVD（化学气相沉积）金刚石样品的热导率通常在1000至2200 W/mK之间，稀有的高纯度金刚石热导率甚至高达3320 W/mK。这种特性使金刚石成为高性能电子设备、激光系统和其他高效热管理应用需求的理想散热材料。准确测量金刚石样品的热导率对于优化材料质量和了解其在苛刻热环境中的性能至关重要。

为什么金刚石具有如此高的热导率和热扩散率？

金刚石的导热性能源于其特殊的原子结构和性质：

强共价键：三维四面体结构中的每个碳原子都与其他四个碳原子以共价键结合，形成了一个刚性晶格，可以有效地传递热量。

低原子质量：碳原子相对较轻，因此可以快速振动，这有利于通过晶格振动（也称为声子）快速传递热量。

高声子速度：由于声子的刚性和强大的原子间作用力，声子的速度很高，这使得热能在晶格中传播得更快。

高Debye温度：即使在高温下，金刚石的结构也能支持高频振动，从而保持导热性能。

低声子散射：对称的晶体结构最大限度地减少了散射，因此声子可以长距离传播而不会损失能量。

同位素纯度：金刚石均匀的原子质量进一步减少了散射，从而增强了声子的传播。

这些因素使金刚石成为需要高导热性能材料应用领域的理想材料，如电子设备和大功率激光系统的散热。

金刚石结构图

红线、蓝线和深红线的长度相同，金刚石晶格常数 a = 357 pm。这表示一个常规晶胞。

具有高导热性能的金刚石样品可以使用Linseis TF-LFA（热反射法薄膜导热仪）进行分析，该仪器使用频域热反射技术来表征材料的热性能，并确保在高效散热至关重要的应用中进行质量控制。由于晶粒尺寸、纯度和厚度等因素都会影响传输性能，因此准确的热导率测量对于验证金刚石样品的质量和性能至关重要。

频域热反射法（FDTR）是测量CVD金刚石等材料热导率的优选方法，尤其是在需要高空间分辨率的微纳米级薄膜样品中。Linseis TF-LFA是实现这一目标的理想工具。

FDTR 使用调制激光诱导样品局部加热，并测量材料在不同调制频率下的热反射响应信号。通过这项技术，研究人员可以对流经金刚石及其界面的热流进行建模，从而确定热导率。

CVD 金刚石的热性能测量

x 轴显示以赫兹为单位的对数缩放频率，y 轴显示泵浦激光与样品激光之间的相位差。这里𝝀是热导率，𝜶是热扩散率，e 是传热效率，TBC 是传感器层（金）与样品（金刚石）之间的热边界导热率。它决定了组合材料之间的热交换能力。

参考：

[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.