CVD金剛石熱導(dǎo)率的測量

更新時間：2025-03-12

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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。準確測量金剛石樣品的熱導(dǎo)率對于優(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)：

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

低原子質(zhì)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(jié)構(gòu)也能支持高頻振動，從而保持導(dǎo)熱性能。

低聲子散射：對稱的晶體結(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(zhì)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(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、藍線和深紅線的長度相同，金剛石晶格常數(shù) a = 357 pm。這表示一個常規(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)用中進行質(zhì)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(dǎo)率測量對于驗證金剛石樣品的質(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薄膜樣品中。Linseis TF-LFA是實現(xiàn)這一目標的理想工具。

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

CVD 金剛石的熱性能測量

x 軸顯示以赫茲為單位的對數(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。

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