The authors report on the experimental investigation of the thermal conductivity of nitrogenated ultrananocrystalline diamond (UNCD) films on silicon. For better accuracy, the thermal conductivity was measured by using two different approaches: the 3ω method and transient “hot disk” technique. The temperature dependence of the thermal conductivity of the nitrogenated UNCD films was compared to that of undoped UNCD films and microcrystalline diamond (MCD) films on silicon. It was shown that the temperature dependence of the thermal conductivity of UNCD films, which is substantially different from that for MCD films, can be adequately described by the phonon-hopping model. The room-temperature thermal conductivity of UNCD is 8.616.6W/mK and decreases with the addition of nitrogen. The obtained results shed light on the nature of thermal conduction in partially disordered nanostructured materials and can be used for estimating the thermal resistance of doped UNCD films.

1.
C. E.
Nebel
,
Nature (London)
2
,
431
(
2003
).
2.
J. A.
Carlisle
,
Nature (London)
3
,
668
(
2004
).
3.
J.
Griffin
and
P. C.
Ray
,
Nanotechnology
17
,
1225
(
2006
).
4.
G. A. J.
Amaratunga
,
Science
297
,
1657
(
2002
).
5.
E.
Kohn
,
A.
Denisenko
,
M.
Kubovic
,
T.
Zimmermann
,
O. A.
Williams
, and
D. M.
Gruen
,
Semicond. Sci. Technol.
21
,
L32
(
2006
).
6.
D. M.
Gruen
,
Annu. Rev. Mater. Sci.
29
,
211
(
1999
).
7.
W.
Yang
,
O.
Auciello
,
J. E.
Butler
,
W.
Cai
,
J. A.
Carlisle
,
J. E.
Gerbi
,
D. M.
Gruen
,
T.
Knickerbocker
,
T. L.
Lasseter
,
J. N.
Russell
,
J. M.
Smith
, and
R. J.
Hamers
,
Nat. Mater.
1
,
253
(
2002
).
8.
O. A.
Williams
,
Semicond. Sci. Technol.
21
,
R49
(
2006
).
9.
X.
Xiao
,
J.
Birrell
,
J. E.
Gerbi
,
O.
Auciello
, and
J. A.
Carlisle
,
J. Appl. Phys.
96
,
2232
(
2004
).
10.
O. A.
Williams
,
S.
Curat
,
J. E.
Gerbi
,
D. M.
Gruen
, and
R. B.
Jackman
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
1680
(
2004
).
11.
S.
Bhattacharyya
,
O.
Auciello
,
J.
Birrell
,
J. A.
Carlisle
,
L. A.
Curtiss
,
A. N.
Goyette
,
D. M.
Gruen
,
A. R.
Krauss
,
J.
Schlueter
,
A.
Sumant
, and
P.
Zapol
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
1443
(
2001
).
12.
T.
Zimmermann
,
M.
Kubovic
,
A.
Denisenko
,
K.
Janioschowsky
,
O. A.
Williams
,
D. M.
Gruen
, and
E.
Kohn
,
Diamond Relat. Mater.
14
,
416
(
2005
).
13.
J. E.
Gerbi
,
O.
Auciello
,
J.
Birrell
,
D. M.
Gruen
,
B. W.
Alphenaar
, and
J. A.
Carlisle
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
2001
(
2003
).
14.
Z.
Di
,
P. K.
Chu
,
M.
Zhu
,
R. K. Y.
Fu
,
S.
Luo
,
L.
Shao
,
M.
Nastasi
,
P.
Chen
,
T. L.
Alford
,
J. W.
Mayer
,
M.
Zhang
,
W.
Liu
,
Z.
Song
, and
C.
Lin
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
142108
(
2006
).
15.
G.
Aichmayr
,
A.
Avellan
,
G. S.
Duesberg
,
F.
Kreupl
,
S.
Kudelka
,
M.
Liebau
,
A.
Orth
,
A.
Sanger
,
J.
Schumann
, and
O.
Storbeck
,
IEEE Symposium on VLSI Technology
, Vols.
12–14
,
2007
(unpublished), p.
186
.
16.
O.
Auciello
,
S.
Pacheco
,
A. V.
Sumant
,
C.
Gudeman
,
S.
Sampath
,
A.
Datta
,
R. W.
Carpick
,
V. P.
Adiga
,
P.
Zurcher
,
Z.
Ma
,
H. C.
Yuan
,
J. A.
Carlisle
,
B.
Kabius
,
J.
Hiller
, and
S.
Srinivasan
,
IEEE Microw. Mag.
8
,
61
(
2007
).
17.
R.
Berman
,
P. R. W.
Hudson
, and
M.
Martinez
,
J. Phys. C
8
,
L430
(
1975
).
18.
A. V.
Sukhadolau
,
E. V.
Ivakin
,
V. G.
Ralchenko
,
A. V.
Khomich
,
A. V.
Vlasov
, and
A. F.
Popovich
,
Diamond Relat. Mater.
14
,
589
(
2005
).
19.
E.
Wörner
,
C.
Wild
,
W.
Müller-Sebert
,
R.
Locher
, and
P.
Koidl
,
Diamond Relat. Mater.
5
,
688
(
1996
).
20.
J. E.
Graebner
,
J. A.
Mucha
,
L.
Seibles
, and
G. W.
Kammlott
,
J. Appl. Phys.
71
,
3143
(
1992
).
21.
M. A.
Angadi
,
T.
Watanabe
,
A.
Bodapati
,
X.
Xiao
, and
O.
Auciello
,
J. A.
Carlisle
,
J. A.
Eastman
,
P.
Keblinski
,
P. K.
Schelling
, and
S. R.
Phillpot
,
J. Appl. Phys.
99
,
114301
(
2006
).
22.
S.
Ahmed
,
R.
Liske
,
T.
Wunderer
,
M.
Leonhardt
,
R.
Ziervogel
,
C.
Fansler
,
T.
Grotjohn
,
J.
Asmussen
, and
T.
Schuelke
,
Diamond Relat. Mater.
15
,
389
(
2006
).
23.
W. L.
Liu
,
M.
Shamsa
,
I.
Calizo
,
A. A.
Balandin
,
V.
Ralchenko
,
A.
Popovich
, and
A.
Saveliev
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
171915
(
2006
).
24.
M.
Shamsa
,
W. L.
Liu
,
A. A.
Balandin
,
C.
Casiraghi
,
W. I.
Milne
, and
A. C.
Ferrari
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
161921
(
2006
).
25.
L.
Braginsky
,
N.
Lukzen
,
V.
Shklover
, and
H.
Hofmann
,
Phys. Rev. B
66
,
134203
(
2002
).
26.
E.
Loubnin
(unpublished).
27.
W. L.
Hsu
,
D. M.
Tung
,
E. A.
Fuchs
,
K. F.
McCarty
,
A.
Joshi
, and
R.
Nimmagadda
,
Appl. Phys. Lett.
55
,
2739
(
1989
).
28.
G. Z.
Wang
,
F.
Ye
,
C.
Chang
,
Y.
Liao
, and
R. C.
Fang
,
Diamond and Relat. Mater.
9
,
1712
(
2000
).
29.
F.
Tuinstra
and
J. L.
Koenig
,
J. Chem. Phys.
53
,
1126
(
1970
).
30.
R. P.
Vidano
,
D. B.
Fischbach
,
L. J.
Willis
, and
T. M.
Loehr
,
Solid State Commun.
39
,
341
(
1981
).
31.
A. C.
Ferrari
and
J.
Robertson
,
Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A
363
,
2477
(
2004
).
32.
A. C.
Ferrari
and
J.
Robertson
,
Phys. Rev. B
63
,
121405
(
2001
).
33.
J.
Birrell
,
J. E.
Gerbi
,
O.
Auciello
,
J. M.
Gibson
,
J.
Johnson
, and
J. A.
Carlisle
,
Diamond Relat. Mater.
14
,
86
(
2005
).
34.
X.
Xiao
,
J.
Birrell
,
J. E.
Gerbi
,
O.
Auciello
, and
J. A.
Carlisle
,
J. Appl. Phys.
96
,
2232
(
2004
).
35.
J.
Griffin
and
P. C.
Ray
,
Nanotechnology
17
,
1225
(
2006
).
36.
A. C.
Ferrari
,
S. E.
Rodil
, and
J.
Robertson
,
Phys. Rev. B
67
,
155306
(
2003
).
37.
I. I.
Vlasov
,
V. G.
Ralchenko
,
E.
Goovaerts
,
A. V.
Saveliev
, and
M. V.
Kanzyuba
,
Phys. Status Solidi A
203
,
3028
(
2006
)
38.
I. I.
Vlasov
,
E.
Goovaerts
,
V. G.
Ralchenko
,
V. I.
Konov
,
A. V.
Khomich
, and
M. V.
Kanzyuba
,
Diamond Relat. Mater.
16
,
2074
(
2007
).
39.
D. G.
Cahill
,
Rev. Sci. Instrum.
61
,
802
(
1990
).
40.
D. G.
Cahill
and
R. O.
Pohl
,
Phys. Rev. B
35
,
4067
(
1987
).
41.
V.
Ralchenko
,
S.
Pimenov
,
V.
Konov
,
A.
Khomich
,
A.
Saveliev
,
A.
Popovich
,
I.
Vlasov
,
E.
Zavedeev
,
A.
Bozhko
,
E.
Loubnin
, and
R.
Khmelnitskii
,
Diamond Relat. Mater.
16
,
2067
(
2007
).
42.
W. L.
Liu
and
A. A.
Balandin
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
5230
(
2004
);
W. L.
Liu
and
A. A.
Balandin
,
J. Appl. Phys.
97
,
073710
(
2005
).
43.
M.
Shamsa
,
W. L.
Liu
,
A. A.
Balandin
, and
J. L.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
202105
(
2005
).
44.
S. E.
Gustafsson
,
Rev. Sci. Instrum.
62
,
797
(
1991
);
M.
Gustavsson
,
E.
Karawacki
, and
S. E.
Gustafsson
,
Rev. Sci. Instrum.
65
,
3856
(
1994
).
45.
J. E.
Graebner
,
M. E.
Reiss
,
L.
Seibles
,
T. M.
Hartnett
,
R. P.
Miller
, and
C. J.
Robinson
,
Phys. Rev. B
50
,
3702
(
1994
).
46.
J. E.
Graebner
,
J. A.
Mucha
, and
F. A.
Baiocchi
,
Diamond Relat. Mater.
5
,
682
(
1996
).
47.
J. R.
Olson
and
R. O.
Pohl
,
J. W.
Vandersande
,
A.
Zolton
,
T. R.
Anthony
, and
W. F.
Banholzer
,
Phys. Rev. B
47
,
14850
(
1993
).
48.
J. E.
Graebner
,
J. Wide Bandgap Mater.
7
,
105
(
1999
).
49.
P. G.
Klemens
, in
Solid State Physics
, edited by
F.
Seitz
and
D.
Turnbull
(
Academic
,
New York
,
1958
), Vol.
7
.
50.
L.
Braginsky
,
V.
Shklover
,
H.
Hofmann
, and
P.
Bowen
,
Phys. Rev. B
70
,
134201
(
2004
).
51.
J.
Birrell
,
J. A.
Carlisle
,
O.
Auciello
,
D. M.
Gruen
, and
J. M.
Gibson
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
2235
(
2002
).
52.
J.
Callaway
,
Phys. Rev. B
113
,
1046
(
1959
).
53.
J.
Zou
,
D.
Kotchetkov
,
A. A.
Balandin
,
D. I.
Florescu
, and
F. H.
Pollak
,
J. Appl. Phys.
92
,
2534
(
2002
);
D.
Kotchetkov
,
J.
Zou
,
A. A.
Balandin
,
D. I.
Florescu
, and
F. H.
Pollak
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
4316
(
2001
).
54.
D. G.
Cahill
and
R. O.
Pohl
,
Solid State Commun.
70
,
927
(
1989
).
55.
J. E.
Graebner
,
S.
Jim
,
G. W.
Kammlott
,
J. A.
Herb
, and
C. F.
Gardinier
,
Nature (London)
359
,
401
(
1992
).
56.
R.
Arenal
,
P.
Bruno
,
D. J.
Miller
,
M.
Bleuel
,
J.
Lal
, and
D. M.
Gruen
,
Phys. Rev. B
75
,
195431
(
2007
).
57.
I. I.
Vlasov
,
O. I.
Lebedev
,
V. G.
Ralchenko
,
E.
Goovaerts
,
G.
Bertoni
,
G.
van Tendeloo
, and
V. I.
Konov
,
Adv. Mater. (Weinheim, Ger.)
19
,
4058
(
2007
).
58.
A. A.
Balandin
,
S.
Ghosh
,
W.
Bao
,
I.
Calizo
,
D.
Teweldebrhan
,
F.
Miao
, and
C. N.
Lau
,
Nano Lett.
8
,
902
(
2008
).
59.
G.
Chen
,
P.
Hui
, and
S.
Xu
,
Thin Solid Films
366
,
95
(
2000
).
You do not currently have access to this content.