はじめに
熱管理は、幅広い用途において重要な課題であり、その重要性はますます高まっています。これは特に、極めて small な領域で多量の熱を発生させる、最新の高出力電子デバイスや光電子デバイス（5Gアプリケーション、高速コンピューティング、あるいは高出力半導体チップなど）に当てはまります。 熱を迅速に放散するためには、熱伝導率の高い材料で作られたヒートシンクや熱伝導コーティングを、熱源（ラジエーター、ファン、ヒートシンクなど）に配置する必要があります。
最適な材料候補を探る中で、ダイヤモンドが有望な解決策として浮上してきました。ダイヤモンドは、現在工業規模で生産されている最も硬い材料の一つであるだけでなく、既知の天然素材の中で最高の熱伝導率を誇ります。 室温での熱伝導率は2000 W/(m・K)を超えることがあり、これは銅や銀の約4～5倍に相当します。さらに、極めて低い熱膨張係数と、室温での電気絶縁性を兼ね備えていることから、ダイヤモンドは高度な熱管理用途において卓越した材料と言えます。 熱管理にダイヤモンドを使用する場合、その熱伝導率を正確に測定することが特に重要です。ダイヤモンドの超高熱伝導率と極めて高い光透過性は、熱性能の精密な測定において大きな課題となります。そのため、熱試験方法や装置の選定、および試験技術の選択が同様に重要となります。
こうした状況において、非接触熱測定技術であるレーザー／ライトフラッシュ分析（LFA）は、高熱伝導率を持つ材料の熱伝導率を評価するのに非常に適しています。 この応用例では、主に NETZSCH （LFA 717 HyperFlash® ）を用いて、ダイヤモンドなどの高熱伝導率かつ透明な試料を測定する方法と、測定プロセスにおける実験手法についてご紹介します。
スループレーン特性評価
図1は、厚さ2.69 mmのダイヤモンド試料について、熱拡散率、比熱容量、および熱伝導率の測定結果を示しています。 図からわかるように、室温におけるこの試料の熱拡散率は約1100 mm²/sであるのに対し、熱伝導率は約2000 W/(m·K)です。 ダイヤモンド試料の熱伝導率は、フォノン-フォノン散乱（ウムクラップ過程）の急激な増加により、温度の上昇に伴い急速に低下します [1]。 300°Cでは、この試料の熱伝導率は1000 W/(m·K)を下回っており、ダイヤモンドの熱伝導率は温度変化によって著しい影響を受けることが示されています。表1に測定条件の詳細を示します。
表1：LFA測定条件
| 試料 | ダイヤモンド |
|---|---|
| 試料の作製 | 金でスパッタリングし、薄いグラファイト層で被覆した |
| 試料サイズ | 10 mm、厚さ：2.69 mm |
| 試料ホルダー | 4 試料用 正方形のスロット |
| 温度範囲 | 室温～500°C |
| 雰囲気 | 窒素 |
| パルス幅 | 50 μs |
| モデル | 透明 |
LFAを用いてこのような高い熱拡散率を持つ材料を分析する場合、所定の温度で正確かつ信頼性の高い結果を得るためには、光パルスの長さとそのエネルギーを最小限に抑えることが不可欠です。 LFA 717 は、10～1500 µs の広い範囲で調整可能なパルス幅と、高感度検出器、および 2 MHz のデータ取得周波数を兼ね備えており、ダイヤモンド試料であっても熱伝導率を正確に評価することができます。
試料の調製とその影響
LFA測定の際、一般的には、試料にはグラファイトがコーティングされます。これは、光放射に対する試料の表面吸収および放射能力を高めると同時に、反射率を低減するためです（図2を参照）。 従来の試料の場合、グラファイト被膜が熱拡散率の結果に及ぼす影響は無視できる程度です。しかし、ダイヤモンド、とりわけ極めて高い熱伝導率を持つ単結晶ダイヤモンドの場合、グラファイト被膜の影響は無視できません。 グラファイトコーティングの厚さが過度になると、測定される熱拡散率が大幅に低下します。逆に、コーティングの厚さが不十分な場合、フラッシュライトを完全に吸収することができず、（ダイヤモンドの高い光透過率により）試料内部へ光が透過してしまうことで、検出器の信号品質が損なわれ、ひいては分析の精度が低下してしまいます。 この問題に対する効果的な解決策として、ダイヤモンド試料の表面に金スパッタリングによる薄膜を成膜して実質的に不透明にした後、放射線の吸収および放出能力を向上させるために、その上に薄いグラファイト被膜を形成する方法が挙げられます。
さまざまなコーティングが施されたダイヤモンドの測定
表2は、厚さ1.948 mmの単結晶ダイヤモンド試料の熱拡散率を示しており、4つの表面コーティング方法（単層、2層、3層のグラファイトコーティング、および金スパッタリング後に室温で薄いグラファイトコーティングを施したもの）による影響を比較しています。 グラファイトを試料に直接コーティングした場合、グラファイト層が1層増えるごとに試料の厚さが約10 μm増加することがわかります。グラファイトを3層コーティングした後、試料の厚さは約30 μm増加しました。 これに伴い、ダイヤモンド試料の熱拡散率は、グラファイト被膜の厚さが増すにつれて低下しました。予想通り、薄いスパッタリング金被膜と、完全ではない薄いグラファイト層を組み合わせることで、分析に必要な表面コーティングの影響を最小限に抑えることができます。
表2：4つの方法による表面コーティング後のダイヤモンド試料の室温における熱拡散率および試料の厚さ。コーティング前の元の試料の厚さ：1.948 mm。
| 試料の作製 | 厚さ（mm） | 熱拡散率 (mm²/s) |
|---|---|---|
| グラファイト被膜を形成した後 | 1.960 | 1093.16 |
| グラファイト2回コーティング済み | 1.969 | 1011.42 |
| グラファイトコーティング3回 | 1.978 | 731.84 |
| スパッタリングによる金層＋薄層のグラファイトコーティング | 1.956 | 1223.25 |
得られた熱拡散率の結果を検証するため、厚さが異なる（0.915 mmおよび3.001 mm）2つのダイヤモンド試料を追加で分析しました。 3つの試料すべての熱拡散率の値は、いずれも1240 mm²/s前後で、標準偏差は3%以内であり、NETZSCH 社製LFA 717を用いて実施した本分析の高い再現性を示しています（表3を参照）。 注目すべきは、3つの試料について記録された検出器信号が、図3に示すように、モデルによる近似曲線と極めて良好な一致を示したことです。
表3：厚さの異なるダイヤモンド試料の熱拡散率（薄いスパッタ成膜金コーティングおよび部分的な黒鉛層を有するもの）。
| 試料 | 熱拡散率（mm²/s） |
|---|---|
| ダイヤモンド-0.915 mm | 1225.25 |
| ダイヤモンド-1.948 mm | 1223.25 |
| ダイヤモンド-3.001 mm | 1277.61 |
結論
LFA 717 HyperFlash® を用いて実施した測定は、極めて高い熱伝導率と優れた光透過性を兼ね備えたダイヤモンドのような、測定が極めて困難な材料の熱特性を正確に測定する上で、本装置が優れた能力を有していることを実証しています。この結果は、適切な表面処理および評価手法を適用すれば、過酷な測定条件下であっても、信頼性が高く再現性に優れたデータが得られることを示しています。
このような試料に対しては、温度上昇曲線において最適な信号品質を確保するため、最初に金スパッタリングを行い、その後に薄いグラファイト層を形成するという複合コーティング手法が採用されました。この前処理により、安定した信号検出が可能となり、データ品質が大幅に向上しました。 得られた信号の挙動に基づき、最も適切な評価モデル（標準モデルまたは透明モデル）が選択され、熱拡散率の正確な決定が保証されました。
全体として、LFA 717は高い測定精度と堅牢性を発揮すると同時に、極端な熱的・光学的特性を持つ材料の信頼性の高い特性評価を可能にする柔軟な分析オプションを提供することが実証されました。