Diamanten sind für ihre außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit bekannt. CVD-Diamantproben (Chemical Vapor Deposition) erreichen in der Regel Werte zwischen 1000 und 2200 W/mK [1,2], seltene und hochreine Proben sogar bis zu 3320 W/mK. [2,3] Diese Eigenschaft macht Diamant zu einem idealen Kandidaten für die Wärmeableitung in Hochleistungselektronik, Lasersystemen und anderen Anwendungen, die ein effizientes Wärmemanagement erfordern. [4] Die genaue Messung der Wärmeleitfähigkeit von Diamantproben ist entscheidend für die Optimierung der Materialqualität und das Verständnis seiner Leistung in anspruchsvollen thermischen Umgebungen.
Warum haben Diamanten eine so hohe Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit?
Die Wärmeleitfähigkeit von Diamanten resultiert aus seiner einzigartigen atomaren Struktur und seinen Eigenschaften [2,3]:
1. Starke kovalente Bindungen: Die dreidimensionale tetraedrische Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom kovalent an vier andere gebunden ist, erzeugt ein steifes Gitter, das Wärme effizient überträ
2. Geringe Atommasse: Kohlenstoffatome sind relativ leicht, sodass sie schnell vibrieren können, was die schnelle Übertragung von Wärme durch Gitterschwingungen, auch als Phononen bekannt, die Wärme schnell transportieren, erleichtert.
3. Hohe Phononengeschwindigkeit: Hohe Phononengeschwindigkeit aufgrund seiner Steifigkeit und starken interatomaren Kräfte. Dadurch kann Wärmeenergie schneller durch das Gitter wandern.
4. Hohe Debye-Temperatur: Die Struktur des Diamanten unterstützt hochfrequente Schwingungen, selbst bei hohen Temperaturen, und erhält so die Wärmeleitfähigkeit aufrecht. [4]
5. Geringe Phononenstreuung: Die symmetrische Kristallstruktur minimiert die Streuung, sodass Phononen lange Strecken zurücklegen können, ohne Energie zu verlieren. [4]
6. Isotopische Reinheit: Die gleichmäßige Atommasse von einem Diamant reduziert die Streuung weiter und verbessert die Phononenausbreitung. [6]
Diese Faktoren machen Diamanten ideal für Anwendungen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit erfordern, wie z. B. die Kühlung von Elektronik und Hochleistungslasersystemen.
Diamantproben mit hoher Leitfähigkeit können mit dem Linseis Laser Frequency Analyzer (TF-LFA) gemessen werden, der die Frequency Domain Thermoreflectance-Technik zur Charakterisierung des thermischen Verhaltens und zur Sicherstellung der Qualitätskontrolle in Anwendungen nutzt, bei denen eine effiziente Wärmeableitung von entscheidender Bedeutung ist. Genaue Wärmeleitfähigkeitsmessungen sind unerlässlich, um die Qualität und Leistung von Diamantproben zu überprüfen, da Faktoren wie Korngröße, Reinheit und Dicke die Transporteigenschaften beeinflussen können.
Die Frequenzbereichs-Thermoreflektanz (FDTR) ist eine bevorzugte Methode zur Messung der Wärmeleitfähigkeit in Materialien wie CVD-Diamant, insbesondere in dünnen Filmen und Proben im Mikromaßstab, bei denen eine hohe räumliche Auflösung unerlässlich ist. Der Linseis Laser Frequency Analyzer (TF-LFA) ist ein ideales Werkzeug für diesen Zweck. FDTR verwendet einen modulierten Laser, um eine lokale Erwärmung in der Probe zu induzieren, und misst die Thermoreflexionsantwort des Materials bei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen. Diese Technik ermöglicht es Forschern, die Wärmeleitfähigkeit durch Modellierung des Wärmeflusses durch den Diamanten und seine Grenzflächen zu bestimmen.
Quellen:
[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. 15 April 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.
