CVD金剛石熱導(dǎo)率的測量

更新時(shí)間：2025-07-14

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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(dá)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(zhǔn)確測量金剛石樣品的熱導(dǎo)率對(duì)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(kuò)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(qiáng)共價(jià)鍵：三維四面體結(jié)構(gòu)中的每個(gè)碳原子都與其他四個(gè)碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合，形成了一個(gè)剛性晶格，可以有效地傳遞熱量。

低原子質(zhì)量：碳原子相對(duì)較輕，因此可以快速振動(dòng)，這有利于通過晶格振動(dòng)（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(qiáng)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(dòng)，從而保持導(dǎo)熱性能。

低聲子散射：對(duì)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(huì)損失能量。

同位素純度：金剛石均勻的原子質(zhì)量進(jìn)一步減少了散射，從而增強(qiáng)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(lán)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(gè)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(jìn)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(jìn)行質(zhì)量控制。由于晶粒尺寸、純度和厚度等因素都會(huì)影響傳輸性能，因此準(zhǔn)確的熱導(dǎo)率測量對(duì)于驗(yàn)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(jí)薄膜樣品中。Linseis TF-LFA是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)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(hào)。通過這項(xiàng)技術(shù)，研究人員可以對(duì)流經(jīng)金剛石及其界面的熱流進(jìn)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(duì)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(kuò)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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