金刚石不导电,电子不能自由运动,因此其热导性能基本上来自碳原子振动(也就是声子)的传播。
得益于碳元素较小的质量,以及较强的碳-碳键,金刚石中振动的传播非常“顺畅”。正因如此,金刚石的热导率也十分拔群,几乎是块体材料中最高的一个,大约是银的五倍左右。
用简单的语言来解释,其实就是金刚石中碳元素的质量较小,而碳-碳键又十分强,导致碳原子的振动基本上都在势能极小值附近,可以很好的用简谐近似描述,非谐效应较弱:
非谐效应会使得原子间的振动互相耦合,从而频繁改变振动的传播方向,阻碍振动的自由传播,这恰恰是降低热传导性能的罪魁祸首。金刚石振动的非谐效应弱,因此热导率自然就高。
你看与碳同族的硅也是非导体,晶体结构也和金刚石一样,但因为非谐效应较强,热导率就比金刚石低了近两个数量级:
同样的原理,当温度升高时,振动幅度加大,非谐效应增强,热导率也就下降了。
用声子的语言来描述就更简单了:U型声子散射会降低声子的平均自由程,从而降低热导率。但这类散射需要两个声子的波矢之和落在第一布里渊区之外,因此需要长波矢声子的参与。由于金刚石的Debye温度非常高(~2200 K),导致在同样温度下,金刚石中长波矢的声子数远少于其他材料,因此U型声子散射的概率低,热导率高。
晶格热导的相关内容在固体物理教材中一般有更详细的介绍。