为什么金刚石的导热性能这么好？
要说金刚石为什么导热那么好，得从它最根本的组成说起——纯粹的碳原子，而且是以一种极其规整、牢固的方式排列着。
想想看，我们日常生活中接触到的很多东西，比如木头、塑料、大多数金属，它们里面要么是各种各样的原子混合在一起，要么原子之间的连接方式没那么“讲究”。而金刚石，它最核心的优势就在于它的“纯粹”和“有序”。
1. 结构决定一切：碳原子的“铁三角”
金刚石最让人称道的，就是它独特的晶体结构。简单来说，每个碳原子都像是被其他四个碳原子牢牢地“抓住”了。这种抓住，不是随随便便的，而是以一种叫做sp3杂化的轨道方式进行的。你可以想象一下，碳原子最外层的电子，不是随便乱跑，而是非常有方向性地指向四个不同的空间方向，形成一个稳定的四面体。
这四个sp3杂化轨道，就像是四只强壮的手臂，分别伸向邻近的四个碳原子，并且用一种叫做共价键的方式紧紧地把它们连在一起。而且，这种四面体结构是不断重复、不断延伸的，最终形成了一个巨大、无边无际的、三维的网状结构。
为什么这个网状结构这么重要？
共价键的强度： 共价键是化学键中最牢固的一种。想象一下，原子之间不是靠轻轻一碰，而是像用钢筋水泥一样把它们铆在一起。这种键有多结实，就意味着要让这些原子“动起来”需要非常大的能量。
整体的刚性： 整个金刚石就是一个由无数个牢固的共价键构成的巨大“骨架”。它非常坚硬，也非常稳定，不容易被“打散”。
2. 热量传递的秘密：声子的舞蹈
那么，热量是怎么在金刚石里传递的呢？其实，热量在固体里传递，并不是原子真的“跑来跑去”，而是通过一种叫做晶格振动或者更专业的说——声子（phonon）来传递的。
你可以把晶格振动想象成在弹簧上挂着很多小球。当你在一个地方敲击一下，这个振动就会通过弹簧依次传递到下一个小球，再到下下一个，这样一圈一圈地传下去。
高频振动： 在金刚石这个极其牢固的碳原子网格里，由于原子之间的共价键非常强，而且碳原子本身质量也不算特别重，所以它们能够以非常高的频率进行振动。你可以想象成，这个弹簧非常紧，小球就能振动得非常快。
低散射： 另一个关键点是，金刚石的结构太“纯粹”和“规整”了。在其他很多材料里，原子排列可能不那么整齐，或者原子之间可能有一些杂质，这些都会像路上的障碍物一样，阻碍振动的传递，让声子“碰撞”、“散射”，能量损失掉。但是，完美纯净的金刚石，原子排列就像一条笔直宽敞的高速公路，声子几乎畅通无阻。
为什么这些振动能传递热量？
当金刚石的一端被加热时，这端的碳原子就会获得能量，振动得更厉害。这种剧烈的振动会通过紧密的共价键，带动周围的原子也跟着振动，这种振动模式就像一种能量波，在晶体中不断传播。这就是热量的传递过程。
3. 和其他材料的对比，你就明白了
金属： 像铜、银这样的金属，导热也很好，但它们导热的主要方式除了晶格振动，还有大量的自由电子。这些自由电子就像是在金属里自由穿梭的“小火车”，可以非常快速地携带能量。但是，在金刚石里，所有的电子都乖乖地参与了共价键的形成，没有自由电子来帮忙。所以，金刚石靠的纯粹是“声子”这一个“团队”。
陶瓷： 很多陶瓷材料（比如氧化铝）的晶体结构也比较稳定，但它们的原子之间的键合方式可能不如金刚石那样以纯粹的共价键为主，而且原子种类更多，原子质量差异也可能更大，这些都会增加声子的散射。
总而言之，金刚石导热性能之所以冠绝群雄，是因为它具备了传递热量所需的最优组合：
极强的原子间共价键： 提供了坚实的“骨架”和高昂的振动“启动资金”。
极其规则和完美的晶体结构： 减少了声子传递过程中的“阻碍”，让振动能量能够高效地向前传递。
轻质的原子： 使得原子能够以很高的频率振动。
正是这三者完美结合，才造就了金刚石那非同寻常的导热能力，甚至远超许多导电性很强的金属。它就像一个只用“声波”就能传递能量的超级高速网络，而其他材料很多还需要“电子”这个额外的“运输团队”。
想想看，我们日常生活中接触到的很多东西，比如木头、塑料、大多数金属，它们里面要么是各种各样的原子混合在一起，要么原子之间的连接方式没那么“讲究”。而金刚石，它最核心的优势就在于它的“纯粹”和“有序”。
1. 结构决定一切：碳原子的“铁三角”
金刚石最让人称道的，就是它独特的晶体结构。简单来说，每个碳原子都像是被其他四个碳原子牢牢地“抓住”了。这种抓住，不是随随便便的，而是以一种叫做sp3杂化的轨道方式进行的。你可以想象一下，碳原子最外层的电子，不是随便乱跑，而是非常有方向性地指向四个不同的空间方向，形成一个稳定的四面体。
这四个sp3杂化轨道，就像是四只强壮的手臂，分别伸向邻近的四个碳原子，并且用一种叫做共价键的方式紧紧地把它们连在一起。而且，这种四面体结构是不断重复、不断延伸的，最终形成了一个巨大、无边无际的、三维的网状结构。
为什么这个网状结构这么重要？
共价键的强度： 共价键是化学键中最牢固的一种。想象一下，原子之间不是靠轻轻一碰，而是像用钢筋水泥一样把它们铆在一起。这种键有多结实，就意味着要让这些原子“动起来”需要非常大的能量。
整体的刚性： 整个金刚石就是一个由无数个牢固的共价键构成的巨大“骨架”。它非常坚硬，也非常稳定，不容易被“打散”。
2. 热量传递的秘密：声子的舞蹈
那么，热量是怎么在金刚石里传递的呢？其实，热量在固体里传递，并不是原子真的“跑来跑去”，而是通过一种叫做晶格振动或者更专业的说——声子（phonon）来传递的。
你可以把晶格振动想象成在弹簧上挂着很多小球。当你在一个地方敲击一下，这个振动就会通过弹簧依次传递到下一个小球，再到下下一个，这样一圈一圈地传下去。
高频振动： 在金刚石这个极其牢固的碳原子网格里，由于原子之间的共价键非常强，而且碳原子本身质量也不算特别重，所以它们能够以非常高的频率进行振动。你可以想象成，这个弹簧非常紧，小球就能振动得非常快。
低散射： 另一个关键点是，金刚石的结构太“纯粹”和“规整”了。在其他很多材料里，原子排列可能不那么整齐，或者原子之间可能有一些杂质，这些都会像路上的障碍物一样，阻碍振动的传递，让声子“碰撞”、“散射”，能量损失掉。但是，完美纯净的金刚石，原子排列就像一条笔直宽敞的高速公路，声子几乎畅通无阻。
为什么这些振动能传递热量？
当金刚石的一端被加热时，这端的碳原子就会获得能量，振动得更厉害。这种剧烈的振动会通过紧密的共价键，带动周围的原子也跟着振动，这种振动模式就像一种能量波，在晶体中不断传播。这就是热量的传递过程。
3. 和其他材料的对比，你就明白了
金属： 像铜、银这样的金属，导热也很好，但它们导热的主要方式除了晶格振动，还有大量的自由电子。这些自由电子就像是在金属里自由穿梭的“小火车”，可以非常快速地携带能量。但是，在金刚石里，所有的电子都乖乖地参与了共价键的形成，没有自由电子来帮忙。所以，金刚石靠的纯粹是“声子”这一个“团队”。
陶瓷： 很多陶瓷材料（比如氧化铝）的晶体结构也比较稳定，但它们的原子之间的键合方式可能不如金刚石那样以纯粹的共价键为主，而且原子种类更多，原子质量差异也可能更大，这些都会增加声子的散射。
总而言之，金刚石导热性能之所以冠绝群雄，是因为它具备了传递热量所需的最优组合：
极强的原子间共价键： 提供了坚实的“骨架”和高昂的振动“启动资金”。
极其规则和完美的晶体结构： 减少了声子传递过程中的“阻碍”，让振动能量能够高效地向前传递。
轻质的原子： 使得原子能够以很高的频率振动。
正是这三者完美结合，才造就了金刚石那非同寻常的导热能力，甚至远超许多导电性很强的金属。它就像一个只用“声波”就能传递能量的超级高速网络，而其他材料很多还需要“电子”这个额外的“运输团队”。
网友意见
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
- ^Ab initio theory of the lattice thermal conductivity in diamond https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.80.125203
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