Με την ταχεία επανάληψη της υπολογιστικής ισχύος της τεχνητής νοημοσύνης και την κλιμάκωση των προκλήσεων απαγωγής θερμότητας σε τσιπ υψηλών-τερμάτων, το διαμάντι εξαιρετικά-υψηλής θερμικής αγωγιμότητας αναδύεται ως ένα πολλά υποσχόμενο υλικό ημιαγωγών. Η εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα του Diamond πηγάζει από τη μοναδική μικροδομή του, που βασίζεται κυρίως στους κραδασμούς του πλέγματος για τη μεταφορά θερμότητας. Οι εξαιρετικά ισχυροί δεσμοί C–C μεταξύ των ατόμων άνθρακα, σε συνδυασμό με τη μικρή ατομική μάζα άνθρακα, περιορίζουν τα άτομα σε δονήσεις κοντά στο ελάχιστο δυναμικό ενέργειας-χαρίζοντας στο διαμάντι μια εξαιρετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Εν τω μεταξύ, όλα τα ηλεκτρόνια σθένους στο διαμάντι συμμετέχουν στη σύνδεση και δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα, παρέχοντάς του εξαιρετική ηλεκτρική μόνωση. Αυτό το διπλό χαρακτηριστικό της "υψηλής θερμικής αγωγιμότητας + μόνωσης" διευρύνει περαιτέρω το πεδίο εφαρμογής του.
Σκόνες διαμαντιών σε κλίμακα μικρού- ή νανομέτρων{{1}, που χαρακτηρίζονται από συμπυκνωμένη κατανομή μεγέθους σωματιδίων, καλά καθορισμένη μορφολογία, υψηλή καθαρότητα, ελάχιστα εσωτερικά ελαττώματα και εξαιρετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα, μπορούν να ενσωματωθούν σε μεταλλικά-υλικά μήτρας για χρήση ως καταβόθρες θερμότητας, υποστρώματα θερμότητας{4}} υλικά θερμικής διεπαφής (TIMs) όπως θερμικά γράσα, θερμικές κόλλες και θερμικά επιθέματα.
Παρασκευή μικροσκόνης διαμαντιών
Επί του παρόντος, η κύρια βιομηχανική μέθοδος για την παραγωγή μικροσκονών διαμαντιών είναι η στατική-υψηλή θερμοκρασία-υψηλής πίεσης (HPHT) - οδός σύνθλιψης: χονδρόκοκκα-μονόκρυστα σωματίδια διαμαντιού που συντίθενται μέσω HPHT χρησιμοποιούνται ως τροφοδοσία, κατεργασία τροφοδοσίας, τροφοδοσία.
(1) Σύνθεση διαμαντιών– Η μέθοδος HPHT συνήθως λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες (1300–1700 μοίρες) και υψηλές πιέσεις (5–7 GPa), χρησιμοποιώντας σκόνη γραφίτη και σκόνες καταλύτη μετάλλων ως κύριες πρώτες ύλες. Κάτω από τη δράση του καταλύτη, η πηγή άνθρακα (γραφίτης) μετατρέπεται σε διαμάντι.
(2) Σύνθλιψη και διαμόρφωση– Οι διαδικασίες σύνθλιψης και διαμόρφωσης επηρεάζουν άμεσα το σχήμα των σωματιδίων και την απόδοση των μεγεθών σωματιδίων-στόχων. Γενικά, η μείωση των χονδροειδών πρώτων υλών σε μεγέθη micron ή submicron επιτυγχάνεται με δύο βασικές μεθόδους: μηχανική κρούση και άλεση με πίδακα.
(3) Ταξινόμηση– Η ταξινόμηση μεγέθους σωματιδίων είναι ένα κρίσιμο βήμα στην παραγωγή μικροσκόνης διαμαντιών, επηρεάζοντας τόσο την αποδοτικότητα της παραγωγής όσο και την ποιότητα του προϊόντος. Πολλοί κατασκευαστές συνδυάζουν επί του παρόντος φυσική καθίζηση και φυγοκέντρηση για να παράγουν μικροσκόνες πλήρους εύρους-από λεπτές έως χονδρές ποιότητες.
Θερμική εφαρμογή 1: Το βέλτιστο θερμικά αγώγιμο πληρωτικό
Τα διαμαντένια πληρωτικά διασκορπίζονται σε πολυμερείς μήτρες (π.χ. σιλικόνες, εποξειδικές ρητίνες) για να σχηματίσουν σύνθετα υλικά, τα οποία γεμίζουν μικροσκοπικά κενά μεταξύ των εξαρτημάτων που παράγουν θερμότητα και των ψυκτών θερμότητας, μειώνουν τη θερμική αντίσταση επαφής και δημιουργούν δίκτυα συνεχούς αγωγιμότητας θερμότητας για γρήγορη διάχυση της συσσωρευμένης θερμότητας. Ως βασική πρώτη ύλη σε TIMs, όπως θερμικά γράσα, τακάκια και ενθυλακωτικά, η σκόνη διαμαντιού καθορίζει άμεσα την αποτελεσματικότητα και τη σταθερότητα του συστήματος θερμικής διαχείρισης.
Θερμική εφαρμογή 2: Σύνθετα υλικά διαμαντιών/μετάλλων υψηλής απόδοσης{{{1}
Αξιοποιώντας την υψηλή θερμική αγωγιμότητα του διαμαντιού, τον χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και τη χαμηλή πυκνότητα, οι ερευνητές αναπτύσσουν ενεργά σύνθετα υλικά μεταλλικής μήτρας ενισχυμένα με σωματίδια διαμαντιού για εφαρμογές υψηλής θερμικής αγωγιμότητας. Οι εξαιρετικές θερμοφυσικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών διαμαντιού/μετάλλου τα καθιστούν πολλά υποσχόμενα για ηλεκτρονική συσκευασία. Η τρέχουσα έρευνα επικεντρώνεται κυρίως σε μεθόδους κατασκευής όπως η μεταλλουργία σκόνης και η διείσδυση υγρών. Τα συμβατικά επεξεργασμένα σύνθετα υλικά διαμαντιού/αλουμινίου επιτυγχάνουν θερμική αγωγιμότητα 250–600 W/(m·K), ενώ τα σύνθετα υλικά διαμαντιού/χαλκού μπορούν να φτάσουν τα 420–900 W/(m·K).
Η σκόνη διαμαντιού είναι η βασική πρώτη ύλη που καθορίζει το ανώτατο όριο της σύνθετης θερμικής αγωγιμότητας. Η ποιότητά του, το μέγεθος των σωματιδίων και η κρυσταλλική του μορφολογία επηρεάζουν άμεσα την απόδοση του τελικού προϊόντος. Ομοίως, η κακή συμβατότητα διεπαφής μεταξύ διαμαντιών και μεταλλικών μητρών-που οδηγεί σε σοβαρή σκέδαση φωνονίων στις διεπαφές-περιορίζει τη σύνθετη θερμική αγωγιμότητα. Αυτό μπορεί να μετριαστεί με τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών κατασκευής, την τροποποίηση της τραχύτητας της επιφάνειας και των χημικών καταστάσεων των σωματιδίων διαμαντιού για την ενίσχυση της διεπιφανειακής σύνδεσης ή την εισαγωγή στρώσεων διεπιφανείας μετάβασης μέσω κράματος μήτρας ή επιφανειακής επιμετάλλωσης σωματιδίων διαμαντιού.
Με γερές βιομηχανικές βάσεις και τεράστιες ευκαιρίες στην αγορά, πολυάριθμες εγχώριες επιχειρήσεις επιταχύνουν την Ε&Α και την εκβιομηχάνιση των σύνθετων υλικών θερμικής διαχείρισης με βάση τα διαμάντια-.