为什么金刚石的导热性能这么好？ 第1页

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^[1]：

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。

参考

1. ^Ab initio theory of the lattice thermal conductivity in diamond https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.80.125203