เพชรในฐานะวัสดุระบายความร้อน

ค่าการนำความร้อนหมายถึงความง่ายในการถ่ายเทความร้อนผ่านวัสดุ เพชรมีค่าการนำความร้อนประมาณ 1,000 ถึง 2,000 วัตต์/เมตร·เคลวิน ซึ่งสูงกว่าโลหะที่ใช้ในการระบายความร้อนทั่วไป เช่น อะลูมิเนียมและทองแดง ถึง 5-10 เท่า และเป็นที่รู้จักในธรรมชาติว่าเป็น ""วัสดุที่นำความร้อนได้ดีที่สุด"" เนื่องจากเพชรประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนที่ยึดติดกันอย่างแน่นหนาด้วยพันธะโควาเลนต์ซึ่งเกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนวาเลนซ์สี่ตัว เนื่องจากความร้อนถูกส่งผ่านการสั่นสะเทือนของโครงสร้างผลึก ""โครงสร้างผลึกที่ยึดติดกันอย่างแน่นหนา"" นี้จึงช่วยให้การถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพ

ในเซมิคอนดักเตอร์และอุปกรณ์ไฟฟ้าในอนาคต การจัดการความร้อนมีความสำคัญอย่างยิ่ง การพัฒนาเพื่อใช้ประโยชน์จากค่าการนำความร้อนที่ดีเยี่ยมของเพชรและเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดยังคงดำเนินต่อไป

แผงวงจรและสารกึ่งตัวนำอิเล็กทรอนิกส์จะสร้างความร้อนระหว่างการทำงานหรือเมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้าสูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีส่วนประกอบที่ช่วยระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่วนประกอบที่ติดตั้งในอุปกรณ์เพื่อวัตถุประสงค์ในการกระจายและระบายความร้อนเรียกว่า ฮีทซิงค์ หรือ ตัวกระจายความร้อน

ฮีทซิงค์ไม่เพียงแต่ต้องการการนำความร้อนที่ดีเยี่ยมเท่านั้น แต่ยังต้องมีรูปทรงเฉพาะ เช่น รูปทรงครีบ เพื่อกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน ปัจจุบันวัสดุอย่างทองแดงและอลูมิเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย

อย่างไรก็ตาม สำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์รุ่นใหม่ที่มุ่งเน้นประสิทธิภาพและความเร็วที่สูงขึ้น การนำฮีทซิงค์เพชรมาใช้ ซึ่งมีคุณสมบัติการนำความร้อนที่เหนือกว่านั้น กำลังได้รับการพิจารณาอยู่

การออกแบบที่ถ่ายเทและกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพเรียกว่าการจัดการความร้อน อย่างไรก็ตาม การวางแผ่นระบายความร้อนบนชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างความร้อน เช่น สารกึ่งตัวนำ และเป่าลมเย็นผ่านนั้น ไม่ถือเป็นการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องแน่ใจว่าชิ้นส่วนต่างๆ สัมผัสกันอย่างใกล้ชิดและทำงานร่วมกันได้ จาระบีระบายความร้อนและวางสารระบายความร้อนเป็นวัสดุที่มีลักษณะคล้ายวางที่ใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ ปัจจุบันมีผลิตภัณฑ์ที่ใช้ซิลิโคนเป็นวัตถุดิบหลักและผสมสารเติมแต่งต่างๆ เพื่อเพิ่มการนำความร้อน แต่ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้

• มีความลื่นไหลที่สามารถปรับให้เข้ากับพื้นผิวที่ไม่เรียบ และมีความหนืดที่เหมาะสมสำหรับการยึดเกาะ
• สามารถสร้างฟิล์มบางได้
• มีคุณสมบัติเป็นฉนวน
• ไม่เสื่อมสภาพหรือผุกร่อนเมื่อเวลาผ่านไป

ด้วยการมุ่งเน้นไปที่การนำความร้อนของเพชร การพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ผสมผงเพชรจึงคาดว่าจะก้าวหน้าขึ้น การควบคุมขนาดและรูปร่างของอนุภาคเพชรในระหว่างกระบวนการผลิตจะเป็นความท้าทายสำคัญในการรับประกันคุณภาพที่สม่ำเสมอ

สารกึ่งตัวนำมีคุณสมบัติอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน และสามารถนำไฟฟ้าได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ

เนื่องจากสารกึ่งตัวนำทำหน้าที่เหมือนตัวนำ พลังงานที่จำเป็นสำหรับอิเล็กตรอนและโฮลในการเปลี่ยนจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบนำไฟฟ้าเรียกว่าช่องว่างพลังงาน (bandgap) ซึ่งพลังงานนี้มีค่าสูง กล่าวอีกนัยหนึ่ง วัสดุที่มีช่องว่างพลังงานขนาดใหญ่เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น พลังงานสูง อุณหภูมิสูง และความถี่สูง

＜วัสดุที่ใช้เป็นสารกึ่งตัวนำและช่องว่างพลังงาน＞
Si: 1.2 eV, SiC: 3.2 eV, GaN: 3.3 eV, เพชร: 5.5 eV
(eV = อิเล็กตรอนโวลต์)

เมื่อเปรียบเทียบกับสารกึ่งตัวนำทั่วไป เช่น ซิลิคอน สารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างพลังงานโดยทั่วไป 3 eV หรือมากกว่านั้น เรียกว่าสารกึ่งตัวนำช่องว่างพลังงานกว้าง (wide bandgap semiconductors)

ขณะนี้กำลังมีการวิจัยและพัฒนาเพื่อนำวัสดุเหล่านี้มาใช้เป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับโซลูชันที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น เช่น การออกแบบที่มีน้ำหนักเบาและกำลังสูง ในการพัฒนาระบบขนส่งมวลชนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม (ทางรถไฟ เครื่องบิน และเรือ) โดยมีเป้าหมายเพื่อลดภาวะโลกร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เพชรได้รับการคาดหวังอย่างสูงในฐานะวัสดุให้พลังงานสำหรับอนาคตและรุ่นต่อๆ ไป