Les diamants sont connus pour leur extraordinaire conductivité thermique est bien connue. Les échantillons de diamant CVD (Chemical Vapor Deposition) atteignent généralement des valeurs comprises entre 1000 et 2200 W/mK. [1,2]Les échantillons rares et de grande pureté peuvent même atteindre 3320 W/mK. [2,3] Cette propriété fait du diamant un candidat idéal pour la dissipation thermique dans l’électronique de haute puissance, les systèmes laser et d’autres applications nécessitant une gestion thermique efficace. [4] La mesure précise de la conductivité thermique des échantillons de diamant est essentielle pour optimiser la qualité du matériau et comprendre ses performances dans des environnements thermiques exigeants.
Pourquoi les diamants ont-ils une conductivité thermique et une conductivité thermique aussi élevées ?
La conductivité thermique du diamant résulte de sa structure atomique unique et de ses propriétés [2,3]:
1. des liaisons covalentes fortes : La structure tétraédrique tridimensionnelle, dans laquelle chaque atome de carbone est lié de manière covalente à quatre autres, crée un réseau rigide qui transfère efficacement la chaleur.
2. faible masse atomique : les atomes de carbone sont relativement légers, ce qui leur permet de vibrer rapidement, facilitant ainsi le transfert rapide de chaleur par les vibrations de grille, également connues sous le nom de phonons, qui transportent rapidement la chaleur.
3. vitesse de phonon élevée : vitesse de phonon élevée en raison de sa rigidité et de ses fortes forces interatomiques. Cela permet à l’énergie thermique de se déplacer plus rapidement à travers le réseau.
4. température de Debye élevée : la structure du diamant supporte les vibrations à haute fréquence, même à haute température, et maintient ainsi la conductivité thermique. [4]
5. faible diffusion des phonons : la structure cristalline symétrique minimise la diffusion, ce qui permet aux phonons de parcourir de longues distances sans perdre d’énergie. [4]
6. pureté isotopique : la masse atomique uniforme d’un diamant réduit davantage la diffusion et améliore la propagation des phonons. [6]
Ces facteurs rendent les diamants idéaux pour les applications nécessitant une conductivité thermique élevée, comme le refroidissement de l’électronique et des systèmes laser de haute puissance.
Les échantillons de diamant à haute conductivité peuvent être analysés avec le Linseis Laser Frequency Analyzer (TF-LFA) qui utilise la technique de la thermoréflectance dans le domaine fréquentiel pour caractériser le comportement thermique et assurer le contrôle qualité dans les applications où une dissipation thermique efficace est essentielle. Des mesures précises de la conductivité thermique sont essentielles pour vérifier la qualité et les performances des échantillons de diamant, car des facteurs tels que la taille des grains, la pureté et l’épaisseur peuvent affecter les propriétés de transport.
La réflectance thermique dans le domaine fréquentiel (FDTR) est une méthode privilégiée pour mesurer la conductivité thermique dans des matériaux tels que le diamant CVD, en particulier dans les films minces et les échantillons à l’échelle microscopique, où une résolution spatiale élevée est essentielle. L’analyseur de fréquence laser Linseis (TF-LFA) est un outil idéal à cet effet. Le FDTR utilise un laser modulé pour induire un échauffement local dans l’échantillon et mesure la réponse thermoréfléchie du matériau à différentes fréquences de modulation. Cette technique permet aux chercheurs de déterminer la conductivité thermique en modélisant le flux de chaleur à travers le diamant et ses interfaces.
Sources :
[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 avril 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) Propriétés thermiques du graphène : principes fondamentaux et 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.
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