Los diamantes son conocidos por su excepcional conductividad térmica conocida. Las muestras de diamante CVD (Chemical Vapour Deposition) suelen alcanzar valores entre 1000 y 2200 W/mK [1,2]muestras raras y de gran pureza, incluso hasta 3320 W/mK. [2,3] Esta propiedad hace del diamante un candidato ideal para la disipación de calor en electrónica de alto rendimiento, sistemas láser y otras aplicaciones que requieren una gestión térmica eficaz. [ 4] Medir con precisión la conductividad térmica de las muestras de diamante es fundamental para optimizar la calidad del material y comprender su rendimiento en entornos térmicos exigentes.
¿Por qué los diamantes tienen una conductividad térmica y una difusividad térmica tan elevadas?
La conductividad térmica de los diamantes es el resultado de su estructura atómica única y de sus propiedades [2,3]:
1. fuertes enlaces covalentes: La estructura tetraédrica tridimensional, en la que cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros cuatro, crea un entramado rígido que transfiere eficazmente el calor.
2. baja masa atómica: los átomos de carbono son relativamente ligeros, por lo que pueden vibrar rápidamente, lo que facilita la rápida transferencia de calor a través de las vibraciones de la red, también conocidas como fonones, que transportan el calor con rapidez.
3. Alta velocidad de los fonones: Alta velocidad de los fonones debido a su rigidez y a las fuertes fuerzas interatómicas. Esto permite que la energía térmica viaje más rápido a través de la red.
4 . alta temperatura de Debye: La estructura del diamante soporta vibraciones de alta frecuencia, incluso a altas temperaturas, y mantiene así la conductividad térmica. [4]
5. baja dispersión de fonones: La estructura cristalina simétrica minimiza la dispersión, de modo que los fonones pueden recorrer largas distancias sin perder energía. [4]
6 Pureza isotópica: La masa atómica uniforme de un diamante reduce aún más la dispersión y mejora la propagación de los fonones. [6]
Estos factores hacen que los diamantes sean ideales para aplicaciones que requieren una alta conductividad térmica, como la refrigeración de componentes electrónicos y sistemas láser de alta potencia.
Las muestras de diamante de alta conductividad pueden analizarse con el Analizador de Frecuencia Láser Linseis (TF-LFA) que utiliza la técnica de termorreflexión en el dominio de la frecuencia para caracterizar el comportamiento térmico y garantizar el control de calidad en aplicaciones en las que la disipación eficaz del calor es fundamental. Las mediciones precisas de la conductividad térmica son esenciales para verificar la calidad y el rendimiento de las muestras de diamante, ya que factores como el tamaño de grano, la pureza y el grosor pueden afectar a las propiedades de transporte.
La termorreflexión en el dominio de la frecuencia (FDTR) es un método preferido para medir la conductividad térmica en materiales como el diamante CVD, especialmente en películas finas y muestras a microescala en las que es esencial una alta resolución espacial. El Analizador de Frecuencia Láser de Linseis (TF-LFA) es una herramienta ideal para este fin. El TF-LFA utiliza un láser modulado para inducir un calentamiento localizado en la muestra y mide la respuesta de termorreflexión del material a distintas frecuencias de modulación. Esta técnica permite a los investigadores determinar la conductividad térmica modelizando el flujo de calor a través del diamante y sus interfaces.
Fuentes:
[1] M. Shamsa, S. Ghosh, I. Calizo, V. Ralchenko, A. Popovich, A. A. Balandin; Conductividad térmica de películas de diamante ultrananocristalino nitrogenado sobre silicio. J. Appl. Phys. 15 de abril de 2008; 103 (8): 083538. https://doi.org/10.1063/1.2907865
[2] Zhang, Chunyan & Vispute, Ratnakar & Fu, Kelvin & Ni, Chaoying. (2023). Revisión de las propiedades térmicas de las películas de diamante CVD. Revista de Ciencia de los Materiales. 58. 1-23 . https://doi.org/10.1007/s10853-023-08232-w.
[3] Wei L, Kuo PK, Thomas RL, Anthony TR, Banholzer WF (1993) Conductividad térmica del diamante monocristalino isotópicamente modificado. Phys Rev Lett 70(24):3764-3767. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.3764
[4] Pop E, Varshney V, Roy AK (2012) Propiedades térmicas del grafeno: fundamentos y aplicaciones. 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) Caracterización microestructural y termoeléctrica de nanofluidos de nanodiamante. Int Commun Transferencia de Calor y Masa 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) Transporte térmico y conductancia del límite de grano en películas finas de diamante ultrananocristalino. J Appl Phys. https://doi.org/10.1063/1.2199974.
