Pendahuluan
Manajemen panas merupakan topik penting bagi beragam aplikasi, dan relevansinya terus meningkat. Hal ini terutama berlaku bagi perangkat elektronik dan optoelektronik modern berdaya tinggi (aplikasi 5G, komputasi berkecepatan tinggi, atau chip semikonduktor berdaya tinggi), yang menghasilkan panas yang signifikan dalam area yang sangat ter small. Untuk membuang panas dengan cepat, pendingin panas/lapisan termal yang terbuat dari bahan dengan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal tinggi harus ditempatkan di sumber panas (seperti radiator, kipas, pendingin panas, dll.).
Dalam pencarian kandidat bahan yang optimal, berlian telah muncul sebagai solusi yang menjanjikan. Berlian bukan hanya salah satu bahan terkeras yang saat ini diproduksi dalam skala industri, tetapi juga memiliki Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal tertinggi di antara semua bahan alami yang diketahui. Pada suhu kamar, konduktivitas termalnya dapat melebihi 2000 W/(m·K), yang kira-kira empat hingga lima kali lebih tinggi daripada tembaga atau perak. Dikombinasikan dengan koefisien ekspansi termal yang sangat rendah dan sifat isolasi listriknya pada suhu kamar, berlian merupakan bahan yang luar biasa untuk aplikasi manajemen termal tingkat lanjut. Saat menggunakan berlian dalam manajemen termal, sangatlah penting untuk menguji konduktivitas termalnya secara akurat. Konduktivitas termal berlian yang sangat tinggi dan transparansi optiknya yang luar biasa menimbulkan tantangan signifikan dalam pengukuran kinerja termal yang presisi. Akibatnya, pemilihan metode dan instrumen pengujian termal, beserta teknik pengujiannya, menjadi sama pentingnya.
Dalam konteks ini, Analisis Sinar Laser/Flash (LFA), sebuah teknik pengukuran termal non-kontak, sangat cocok untuk mengevaluasi Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal bahan-bahan dengan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal tinggi. Contoh aplikasi ini terutama akan memperkenalkan metode pengujian sampel dengan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal tinggi dan sampel transparan, seperti berlian, menggunakan Sistem Analisis Sinar Laser/Cahaya NETZSCH LFA 717 HyperFlash® serta teknik eksperimental yang terlibat dalam proses pengujian.
Karakterisasi Melintasi Bidang
Gambar 1 menunjukkan hasil pengukuran Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal, kapasitas panas jenis, dan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal untuk sampel berlian setebal 2,69 mm. Dapat dilihat bahwa Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal sampel pada suhu kamar sekitar 1100 mm²/s, sedangkan konduktivitas termalnya sekitar 2000 W/(m·K). Konduktivitas termal sampel berlian menurun dengan cepat seiring meningkatnya suhu, akibat peningkatan tajam dalam hamburan fonon-fonon (proses Umklapp) [1]. Pada 300°C, Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal sampel ini turun di bawah 1000 W/(m·K), yang menunjukkan bahwa Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal berlian sangat dipengaruhi oleh perubahan suhu. Tabel 1 merinci kondisi pengukuran.
Tabel 1: Kondisi pengukuran LFA
| Sampel | Berlian |
|---|---|
| Persiapan sampel | Disputter dengan emas dan dilapisi dengan lapisan grafit tipis |
| Ukuran sampel | 10 mm; ketebalan: 2,69 mm |
| Penahan sampel | 4 slot persegi untuk sampel |
| Rentang suhu | Suhu kamar hingga 500°C |
| Atmosfer | Nitrogen |
| Lebar pulsa | 50 μs |
| Model | Transparan |
Saat menganalisis bahan dengan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal setinggi itu menggunakan LFA, meminimalkan panjang pulsa cahaya dan energinya sangat penting untuk mendapatkan hasil yang akurat dan andal pada suhu yang diperlukan. LFA 717 menggabungkan lebar pulsa yang dapat disesuaikan dalam rentang yang luas dari 10 hingga 1500 µs, detektor bersensitivitas tinggi, dan frekuensi akuisisi data sebesar 2 MHz, sehingga memastikan karakterisasi Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang akurat bahkan untuk sampel berlian.
Persiapan Sampel dan Pengaruhnya
Selama pengujian LFA, sampel biasanya dilapisi dengan grafit untuk meningkatkan kemampuan Proses PenyerapanPenyerapan adalah proses fisika dan kimia di mana suatu zat (biasanya gas atau cairan) terakumulasi di dalam fase lain atau pada batas fase dua fase. Tergantung pada tempat akumulasi, ada perbedaan antara absorpsi (akumulasi dalam fase) dan adsorpsi (akumulasi pada batas fase).penyerapan dan emisi radiasi cahaya pada permukaannya sekaligus mengurangi reflektivitasnya (lihat Gambar 2). Untuk sampel konvensional, pengaruh lapisan grafit terhadap hasil Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal dapat diabaikan. Namun, untuk berlian – terutama berlian kristal tunggal dengan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang sangat tinggi – dampak lapisan grafit tidak dapat diabaikan. Lapisan grafit yang terlalu tebal akan menurunkan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal yang terukur secara signifikan. Sebaliknya, ketebalan lapisan yang tidak memadai tidak akan mampu menyerap sinar senter sepenuhnya, dan transmisi cahaya ke dalam sampel (karena transmitansi cahaya berlian yang tinggi) akan mengganggu kualitas sinyal detektor dan dengan demikian akurasi analisis. Solusi yang efektif terkait hal ini adalah pengendapan lapisan tipis emas yang disemprotkan pada permukaan sampel berlian untuk membuatnya menjadi tidak tembus cahaya, diikuti dengan lapisan grafit tipis untuk meningkatkan kemampuan Proses PenyerapanPenyerapan adalah proses fisika dan kimia di mana suatu zat (biasanya gas atau cairan) terakumulasi di dalam fase lain atau pada batas fase dua fase. Tergantung pada tempat akumulasi, ada perbedaan antara absorpsi (akumulasi dalam fase) dan adsorpsi (akumulasi pada batas fase).penyerapan dan emisi radiasinya.
Pengukuran pada Berlian dengan Lapisan yang Berbeda-beda
Tabel 2 menyajikan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal sampel berlian monokristal dengan ketebalan 1,948 mm, yang membandingkan pengaruh empat metode pelapisan permukaan: pelapisan grafit satu lapis, dua lapis, dan tiga lapis, serta sputtering emas yang dilanjutkan dengan pelapisan grafit tipis pada suhu kamar. Dapat diamati bahwa ketika grafit dilapiskan langsung ke sampel, setiap lapisan grafit menambah ketebalan sampel sekitar 10 μm. Ketebalan sampel meningkat sekitar 30 μm setelah dilapisi tiga lapisan grafit. Sejalan dengan itu, Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal sampel berlian menurun seiring dengan meningkatnya ketebalan lapisan grafit. Seperti yang diharapkan, kombinasi lapisan emas sputtering tipis dengan lapisan grafit tipis yang tidak menutupi seluruh permukaan meminimalkan pengaruh lapisan permukaan yang diperlukan terhadap hasil analisis.
Tabel 2: Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu. Difusivitas termal pada suhu kamar dan ketebalan sampel berlian setelah pelapisan permukaan sesuai empat metode. Ketebalan sampel asli sebelum pelapisan: 1,948 mm.
| Persiapan sampel | Ketebalan (mm) | Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu. Difusivitas termal (mm²/s) |
|---|---|---|
| Setelah dilapisi grafit | 1,960 | 1.093,16 |
| Dilapisi grafit dua kali | 1,969 | 1.011,42 |
| Dilapisi grafit tiga kali | 1.978 | 731,84 |
| Lapisan emas hasil sputtering + lapisan grafit tipis | 1,956 | 1223,25 |
Untuk memverifikasi hasil Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal yang diperoleh, dua sampel berlian tambahan dengan ketebalan berbeda (0,915 dan 3,001 mm) dianalisis. Konsistensi nilai Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal untuk ketiga sampel tersebut – semuanya sekitar 1240 mm²/s dengan deviasi standar dalam rentang 3% – menunjukkan reproduktifitas yang tinggi dari analisis ini yang dilakukan dengan LFA 717 dari NETZSCH (lihat Tabel 3). Yang patut diperhatikan, sinyal detektor yang terekam untuk ketiga sampel tersebut menunjukkan kesesuaian yang sangat baik dengan kurva hasil pemodelan, sebagaimana digambarkan pada Gambar 3.
Tabel 3: Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu. Difusivitas termal sampel berlian dengan ketebalan berbeda (dilapisi lapisan tipis emas hasil sputtering dan lapisan grafit parsial).
| Sampel | Koefisien Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal (mm²/s) |
|---|---|
| Berlian-0,915 mm | 1225,25 |
| Berlian-1,948 mm | 1223,25 |
| Berlian-3,001 mm | 1277,61 |
Kesimpulan
Pengukuran yang dilakukan menggunakan Sistem Pengukuran Suhu Tinggi LFA 717 HyperFlash® menunjukkan kemampuannya yang luar biasa dalam menentukan secara akurat sifat termal bahan-bahan yang sangat sulit diuji, seperti berlian, yang menggabungkan konduktivitas termal sangat tinggi dengan transparansi optik yang signifikan. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa, dengan menerapkan persiapan permukaan dan strategi evaluasi yang tepat, data yang andal dan sangat dapat direproduksi dapat diperoleh bahkan dalam kondisi pengukuran yang menantang.
Untuk sampel semacam itu, pendekatan pelapisan gabungan – sputtering emas awal diikuti dengan lapisan grafit tipis – diterapkan untuk memastikan kualitas sinyal yang optimal pada kurva kenaikan suhu. Persiapan ini memungkinkan deteksi sinyal yang stabil dan secara signifikan meningkatkan kualitas data. Berdasarkan perilaku sinyal yang dihasilkan, model evaluasi yang paling sesuai (model standar atau model transparan) dipilih, sehingga memastikan penentuan difusivitas termal yang akurat.
Secara keseluruhan, LFA 717 terbukti memberikan presisi dan ketahanan pengukuran yang tinggi, sekaligus menawarkan opsi analisis yang fleksibel yang memungkinkan karakterisasi yang andal terhadap bahan-bahan dengan sifat termal dan optik yang ekstrem.