Kim cương tinh khiết dẫn nhiệt tốt nhất trong các vật liệu khối tự nhiên, khoảng 2.000–2.200 W/m·K ở nhiệt độ phòng, gấp khoảng năm lần đồng, trong khi lại gần như không dẫn điện. Nhiệt trong kim cương được truyền bằng dao động mạng tinh thể chứ không bằng electron tự do, nhờ nguyên tử cacbon nhẹ và liên kết cực cứng. Tổ hợp hiếm có này biến kim cương thành vật liệu tản nhiệt cho laser và chip công suất, cửa sổ cho laser mạnh, đe ép áp suất cao và cả cảm biến lượng tử.
Kim cương dẫn nhiệt tốt cỡ nào
| Vật liệu | Độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng (xấp xỉ, W/m·K) | Dẫn điện? |
|---|---|---|
| Kim cương kiểu IIa (gần như không nitơ) | 2.000–2.200 | Không (cách điện) |
| Kim cương làm giàu đồng vị cacbon-12 | khoảng 3.000 trở lên | Không |
| Kim cương kiểu Ia (nhiều nitơ) | thấp hơn rõ, tuỳ hàm lượng nitơ | Không |
| Bạc | khoảng 430 | Có |
| Đồng | khoảng 400 | Có |
| Nhôm | khoảng 240 | Có |
| Silicon | khoảng 150 | Bán dẫn |
| Thuỷ tinh thường | khoảng 1 | Không |
Với kim loại, khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện thường đi đôi, vì cùng do electron tự do mang. Kim cương phá vỡ quy luật quen thuộc ấy: nó là chất cách điện tốt, khe năng lượng khoảng 5,5 electronvolt, nhưng lại dẫn nhiệt tốt hơn mọi kim loại.
Đây cũng là nguyên lý của chiếc bút thử nhiệt mà thợ kim hoàn dùng; nhưng như các site về nhận biết trong hệ đã nói, bút này không đủ để kết luận thật – giả, nên không bàn thêm ở đây.
Vì sao kim cương dẫn nhiệt tốt: phonon
Trong chất rắn không có electron tự do, nhiệt đi qua dưới dạng dao động tập thể của các nguyên tử, giống như sóng âm lan qua một tấm lưới lò xo. Các nhà vật lý gọi mỗi "gói" dao động ấy là phonon. Phonon đi càng xa trước khi bị tán xạ, nhiệt càng truyền tốt.
Kim cương có ba lợi thế:
- Nguyên tử nhẹ: cacbon chỉ có sáu proton, rất nhẹ, dao động nhanh.
- Liên kết cực cứng: mỗi nguyên tử nối với bốn láng giềng bằng liên kết cộng hoá trị rất bền. Lò xo càng cứng, sóng càng lan nhanh.
- Mạng tinh thể đơn giản, đều: ít "gờ" để phonon va vào và đổi hướng.
Vì vậy bất cứ thứ gì phá vỡ sự đều đặn của mạng cũng làm giảm dẫn nhiệt: nguyên tử nitơ thay thế cacbon, chỗ trống, ranh giới hạt trong kim cương đa tinh thể. Ngay cả đồng vị cũng có tác động. Cacbon tự nhiên có khoảng 1,1% đồng vị cacbon-13 nặng hơn; năm 1990, General Electric chế tạo kim cương gần như chỉ có cacbon-12 và đo được độ dẫn nhiệt cao hơn kim cương thường đáng kể, một minh chứng đẹp cho vai trò của sự "đồng đều" trong mạng.
Thú vị là ở nhiệt độ rất thấp, khoảng vài chục kelvin, độ dẫn nhiệt của kim cương còn tăng lên nhiều lần, vì phonon ít va vào nhau hơn.
Tản nhiệt: nơi kim cương làm việc âm thầm
Linh kiện điện tử công suất cao sinh nhiệt tập trung trên một diện tích rất nhỏ. Nếu nhiệt không thoát kịp, điểm nóng làm linh kiện giảm hiệu suất và hỏng sớm. Một tấm kim cương đặt ngay dưới linh kiện hoạt động như "vỉa hè rộng" giúp nhiệt toả ra nhanh trước khi đi vào tấm tản nhiệt kim loại.
- Laser bán dẫn công suất cao: dùng trong viễn thông cáp quang, gia công vật liệu, thường được gắn trên đế kim cương CVD.
- Linh kiện cao tần nitrua gali (GaN): dùng trong trạm phát sóng, radar dân dụng, vệ tinh. Công nghệ "GaN trên kim cương" đưa lớp kim cương sát vùng sinh nhiệt.
- Các bộ phận chịu nhiệt trong máy gia tốc hạt và thiết bị nghiên cứu.
Hầu hết các tấm tản nhiệt này là kim cương CVD đa tinh thể, mọc thành tấm rộng vài inch rồi cắt theo kích thước. Kim cương mỏ gần như không được dùng, vì kích thước và độ tinh khiết không kiểm soát được.
Cửa sổ quang học và đe kim cương
Cửa sổ cho laser mạnh
Kim cương trong suốt trên dải bước sóng rất rộng, từ tử ngoại qua ánh sáng nhìn thấy đến hồng ngoại xa, chỉ có một vùng hấp thụ nội tại ở hồng ngoại trung, khoảng 2,5–6 micromet. Cộng thêm khả năng dẫn nhiệt, một tấm kim cương có thể cho chùm tia laser cacbonic công suất kilowatt hoặc chùm sóng vi ba công suất lớn đi qua mà không bị nứt vì nóng không đều. Cửa sổ kim cương CVD được dùng trong các hệ đốt nóng plasma bằng sóng vi ba của lò thí nghiệm nhiệt hạch.
Đe kim cương: ép vật chất như lòng hành tinh
Đặt hai viên kim cương đã mài phẳng mũi đối đầu nhau, kẹp một mẫu cực nhỏ ở giữa rồi siết lại, ta có đe kim cương (diamond anvil cell). Vì lực dồn vào một diện tích rất nhỏ, áp suất có thể lên tới hàng trăm gigapascal, ngang tâm Trái Đất. Kim cương trong suốt nên nhà khoa học chiếu tia laser, tia X qua để đo mẫu ngay khi đang bị ép.
Phần lớn hiểu biết về khoáng vật trong lớp phủ sâu, như ringwoodit hay bridgmanit, được kiểm chứng nhờ đe kim cương. Nói cách khác, kim cương mang mẫu vật từ lòng đất lên, rồi lại giúp con người tái tạo lòng đất trong phòng thí nghiệm.
Kim cương trong điện tử và cảm biến lượng tử
Kim cương pha bo: từ cách điện thành bán dẫn
Thêm bo vào mạng kim cương, nó trở thành bán dẫn loại p. Kim cương xanh lam tự nhiên kiểu IIb như viên Hope dẫn điện yếu chính vì có bo. Kim cương pha bo tổng hợp được dùng làm điện cực trong xử lý nước thải và phân tích điện hoá, vì bền với hoá chất và có dải điện thế làm việc rộng. Kim cương cũng được nghiên cứu làm linh kiện bán dẫn công suất chịu nhiệt độ và điện áp cao, tuy việc thương mại hoá còn nhiều thách thức.
Tâm nitơ – chỗ trống: một nguyên tử làm cảm biến
Khi một nguyên tử nitơ nằm cạnh một chỗ trống trong mạng kim cương, chúng tạo thành tâm màu gọi là tâm NV. Trạng thái spin của tâm NV có thể được điều khiển bằng vi sóng và đọc bằng ánh sáng, ngay ở nhiệt độ phòng. Vì nó cực nhạy với từ trường, nhiệt độ, áp suất ở cấp nano, các nhóm nghiên cứu dùng tâm NV làm cảm biến từ trường siêu nhạy, chụp ảnh từ trường của tế bào, mẫu đá cổ, và thử nghiệm làm phần tử lưu trữ thông tin lượng tử.
Kim cương còn làm đầu dò bức xạ trong các máy gia tốc hạt nhờ bền với bức xạ, và làm dụng cụ phẫu thuật mắt nhờ lưỡi mài được cực sắc.
Góc nhìn hôm nay: kim cương như một vật liệu kỹ thuật
Khi nhắc đến kim cương, ít ai nghĩ tới một tấm mỏng xám dưới con chip laser hay một ô cửa trong lò nhiệt hạch. Nhưng đó là nơi những tính chất phi thường của nó được dùng hết mức. Vài điều đáng mang về:
- Dẫn nhiệt tốt không cần electron tự do; mạng tinh thể đều và nguyên tử nhẹ là đủ.
- Tạp chất là "kẻ thù" của dẫn nhiệt nhưng là "công cụ" của điện tử: bo tạo bán dẫn, nitơ – chỗ trống tạo cảm biến.
- Muốn tìm hiểu tiếp, giáo trình vật lý chất rắn phần "phonon và dẫn nhiệt", cùng các bài tổng quan về kim cương CVD trong khoa học vật liệu là điểm xuất phát tốt.
Câu hỏi thường gặp
Kim cương dẫn nhiệt tốt hơn đồng bao nhiêu lần?
Kim cương tinh khiết kiểu IIa dẫn nhiệt khoảng 2.000–2.200 W/m·K, trong khi đồng khoảng 400 W/m·K, tức kim cương hơn khoảng năm lần. Kim cương chứa nhiều nitơ dẫn nhiệt kém hơn đáng kể.
Vì sao kim cương dẫn nhiệt tốt mà không dẫn điện?
Kim cương không có electron tự do nên không dẫn điện. Nhiệt được truyền bằng dao động mạng tinh thể (phonon); nhờ nguyên tử cacbon nhẹ, liên kết rất cứng và mạng đều, phonon đi rất xa trước khi bị tán xạ.
Kim cương được dùng để tản nhiệt ở đâu?
Kim cương CVD được dùng làm đế tản nhiệt cho laser bán dẫn công suất cao, linh kiện cao tần nitrua gali và một số thiết bị nghiên cứu. Nó giúp nhiệt toả rộng nhanh trước khi đi vào tấm tản nhiệt kim loại.
Đe kim cương là gì?
Đe kim cương là thiết bị kẹp mẫu nhỏ giữa hai mũi kim cương phẳng để tạo áp suất hàng trăm gigapascal. Vì kim cương trong suốt, nhà khoa học có thể chiếu laser và tia X để nghiên cứu vật chất ở điều kiện như lòng hành tinh.
Tâm NV trong kim cương là gì?
Tâm NV là khuyết tật gồm một nguyên tử nitơ nằm cạnh một chỗ trống trong mạng kim cương. Spin của nó điều khiển và đọc được ở nhiệt độ phòng, nên được dùng làm cảm biến từ trường siêu nhạy và nghiên cứu công nghệ lượng tử.
