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Lockheed Martin diamond presentation

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Lockheed Martin diamond presentation

  1. 1. Lockheed-­‐Martin  Advanced  Technology  Center   J.  Michael  Pinneo,  Ph.D.,  J.D.   September  24,  2009   1  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  2. 2. Survey   !  I.  Diamond  synthesis  and  properties   !  II.    Aerospace  applications   2  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  3. 3. CVD  Diamond  -­‐  Synthesis   !  Overall  chemistry:    deposition  occurs  in  diamond   metastability  region,  graphite  stability  region   !  i.    CxHy  +  H0  !  Cg+  Cd  (mostly  graphite)   !  ii.    Cg  +  H0  !!!  CxHy   !  iii.    Cd  +  H0  -­‐>  CxHy    (~1/400  ii.)   !  Yields  poly-­‐  and  single-­‐crystal   3  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  4. 4. CVD  Diamond  –  Synthesis  Methods   !  Hot  filament,  plasmas,  combustion,  ...   4   VHF  Plasma,  8”   Combustion,  4”  linear   Microwave  Plasma,  4”   RF  Plasma  Torch   DC  Plasma  Torch   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  5. 5. CVD  Diamond  -­‐  Varie7es  Scale-up Experience Microwave Diamond CVD 30Kw, 915 MHz Plasma Scanning Deposition Diameter 14" Conformal 3-D Capability Thickness Uniformity <8% over 12" 5   Diamond  on  Si  Wafers   Diamond-­‐coated  BC  wear  blocks   and  Si3N4  ball  bearing   Diamond  heat   spreader   prototype  for   microprocessor   Diamond-­‐coated  Si3N4  fiber   Diamond-­‐coated  Si3N4  dome   (14”  dia  x  3.5”  deep)   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  6. 6. CVD  Diamond  –  Thermal  Proper7es   !  Thermal  conductivity  @  273°K:  8  –  25  W/cm-­‐°K   !  Thermal  conductivity  peak  ~  77°K:  60  W/cm-­‐°K   !  Thermal  diffusivity:  1.16  cm2/sec   !  Thermal  conductivity  is  high  even  in   nanocrystalline  films   !  Extremely  useful  in  thermal  management   6  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  7. 7. CVD  Diamond  –     Mechanical  Proper7es   !  Hardness:  10,000  kg/mm2   !  Modulus:  1,100  Gpa   !  Poisson’s  ratio:  ~  0.06   !  Thermal  Expansion  Coefficient:  ~  1  x  10-­‐6/°C  @  273°K   !  Coefficient  of  sliding  friction  (µ):  10-­‐2  to  10-­‐3     !  Sonic  velocity:  ~  18  km/sec   7  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  8. 8. CVD  Diamond     Op7cal  Proper7es   !  Transparent:  225  nm  –>  DC   !  ~  5µm  –  6µm,  intrinsic  phonon  absorption   !  Refractive  Index  ~  2.4   !  Emissivity  @  273°K  ~  0.04   8  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  9. 9. CVD  Diamond   Electronic  Proper7es   !  Resistivity,  intrinsic:  >  1015  Ω-­‐cm   !  Resistivity,  B-­‐doped:  10-­‐3  Ω-­‐cm   !  Dielectric  constant:    5.7   !  Breakdown  field:  >  107  V/cm   !  P  and  N  dopants:  B,  B  &  D  plasma   9  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  10. 10. Aerospace  Applica7ons   Thermal  Management   10  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  11. 11. Heat  Spreaders  for  Ac7ve  Devices   Device Cold Plate Diamond Heat Spreader! K = 12 W/cm-°K SiC Heat Spreader! K = 2.5 W/cm-°K T1   T2   Tr1   Tr2   Trn   Q  ∝  (T1  –  T2)     Q  ∝  1/(∑  Tr1…Trn)   11  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  12. 12. Diamond  Microprocessor     Heat  Spreaders   !  IR  image  of  processor   temperature   !  Diamond  enabled  1.8x   clock  rate  increase     12   Die Temperature w/ Copper Spreader Die Temperature w/ Diamond Spreader Copper  Heat  Spreader   Diamond  Heat  Spreader   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  13. 13. GaN  HEMT   13   5 © 2005-2006 Group4 Labs, LLC. All Rights Reserved !""#$%&'%()*+#"%,+#-./+*+"#-)*/%0+1)2+3%&*%4#5 6(+*/-,%&'%,+#-%3&7"2+3%)3%(&*/%)*%2&89#")3&*%:)-,%-,+%3+9#"#-)&*%! #*0%:)0-,%&'%-,+%3&7"2+3; 4#5%+9)(#$+"3 <7=3-"#-+ d T0 = 23°C TP !T = TP–T0 zy !"#$%&'(%)*#'(+!$,-!,$# J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  14. 14. Thermal  Management   Heat  Spreaders,  GaN  HEMTs   !  Attach  100µm   diamond  heat   spreader  to  GaN   device:   !  200%  increased   power  cf.  SiC  heat   spreader;   !  1000%  increased   power  cf.  Si  heat   spreader.   Courtesy  Group  4  Labs,  and  Jonathan  Felbinger   and  Prof.  Eastman,  Cornell  University.   14  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  15. 15. !  4”  free-­‐standing  GaN  wafer  on  diamond   15   Courtesy  Group  4  Labs   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  16. 16. 16  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org   Separation  between  linear  sources  [µm]    
  17. 17. GaN  HEMT  on  Diamond   !  Benefits:   !  Higher  output  power   !  Lower  operating  temperature   !  Greater  device  density   !  System  Impact:     !  Radar  -­‐>  increased  target  acquisition  distance   !  Active  ECM  -­‐>  increased  range,  effectiveness   !  Increased  MTBF  -­‐>  reduced  maintenance  $,  time   17  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  18. 18. Poten7al  Applica7on   !  F-­‐35  thermal  issues   !  Fuel  used  as  internal  systems  heat  sink   !  Low  fuel  near  end  of  mission:   !  Higher  fuel  temperature   !  Lower  ∆T  in  thermal  transfer  chain   !  Increased  avionics  temperature   18  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  19. 19. F-­‐35  Thermal  Issue   !  Reduce  overall  thermal  resistance  between   avionics  and  fuel   !  Apply  diamond  to  thermal  transfer  path:   !  Device  level:  diamond  heat  spreaders   !  Card/module  level:  diamond  heat  pipes  &  plates   !  Heat  exchangers:  diamond  or  diamond/SiC   composites   19  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  20. 20. Op7cal  Applica7ons   !  Important  properties   !  Broadband  transparency   !  225  nm  -­‐>  DC   !  Intrinsic  phonon   absorption  ~  5  µm  –  6  µm   !  Hardness   !  Low  loss  tangent  (<  10-­‐4)   20  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  21. 21. IR  Op7cal  Applica7ons   Rain/dust  impact   damage  on  IR  optic   (F-­‐15E)     21  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  22. 22.   IR  Op7cal  Applica7ons   !  Erosion  barrier  for   ZnS/ZnSe  IR  optics   !  Hardness,  IR   transparency   !  Can’t  CVD  direct  on   IR  material,  but   chalcogenide  “glue”   works.   !  AR  coatings  are   available.   VISIBLE   22  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  23. 23. Op7cs:  High  Power  Lasers   !  Windows/Lenses   !  High  damage  threshold   !  Physically  robust   !  Solid  State  Lasers   !  Increased  output   !  Reduced  module   volume   Northrop-­‐Grumman  100  Kw  laser,  Phase  3,  JHPSSL   Advanced  Tactical  Laser  (ATL)   23  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  24. 24. Op7cs:  HPM  Windows   !  DEW:  high  power  microwave  windows  (HPMW)   !  High  K,  low  loss  tangent,  low  TCE   !  >1  Gw  CW,  >  10  Gw  pulsed  @  90  GHz   !  USAF  BAA/Raytheon  2009  win  to  provide  domestic   source   !  Current  vendors:  Europe,  Asia   !  >$100K  each     24  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  25. 25. Mechanical,  Fric7on  &  Wear   !  Important  properties   !  Low  friction   !  Hardness   !  Modulus   !  Corrosion  resistance   25   F-­‐15E  Exhaust  Flap     Mechanism   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  26. 26. Machining  Opera7ons   !  Diamond-­‐coated  tooling   Increased  tool  life   Higher  machining  speeds   Better  workpiece  finish   26   Diamond  –  coated  cutting  tools   courtesy  of  Crystallume,  Inc.   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  27. 27. Bearings  and  Seals   !  Good  coating  and   performance  increases   shown  for  diamond  on   Si3N4  ball  bearings,  BC   wear  shoes,  and  SiC  pump   seals.   !  Diamond  pump  seals  in   commercial  production  by   Advanced  Diamond   Technologies,  Inc.   27   Diamond-­‐coated  pump  seals,  courtesy  of   Advanced  Diamond  Technologies,  Inc.   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  28. 28. Diamond  as  a  MEMS  Material   !  Hardness  &  Modulus   !  Low  self-­‐adhesion/stiction   !  Hydrophobic   !  Tolerate  aggressive   environments   !  Surface  can  be  functionalized   to  provide  sensing  capability   28  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org   Diamond  RF  MEMS  Switch  
  29. 29. Diamond  for  High  Power  Lasers   !  Desirable  properties:  transparency,  K,  TCE,  damage   threshold   !  Natural  diamond  laser  demonstrated  in  1985(1)   !  Optically  pumped  (Ar  ion  laser)   !  Lasing  medium:  H3  color  center,  530  nm     !  Tunable  due  to  coupling  with  phonon  energy  levels   !  Efficiency  13.5%   !  Interesting,  but  natural  diamonds  too  costly  &  rare   29   (1)  Rand  &  DeShazer,  Optical  Letters,  1985  vol.  10  (10)  pp.  481-­‐483   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  30. 30. Diamond  for  High  Power  Lasers   !  What’s  changed?   !  Large,  high  quality  single  crystal  diamonds  by  CVD   !  R.  Hemley’s  group  at  Carnegie  Institute(2)   !  Microwave  plasma  CVD  followed  by  HP  or  LP  anneal   !  Highly  accessible  with  relatively  simple  equipment   !  Cost-­‐effective  technology   30   (2)  Recent  advances  in  high-­‐growth  rate  single-­‐crystal  CVD  diamond,  Qi  Liang,  et  al.,  Diamond  and  Related   Materials,  2009  vol.  18  (5-­‐8)  pp.  698-­‐703   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  31. 31. Diamond  for  High  Power  Lasers   !  High  efficiency  diamond  Raman  laser(3)   !  1.2  watt  output  @  573  nm,  532  nm  pump   !  Conversion  efficiency  63.5%   !  Slope  efficiency  75%   !  Peak  photon  conversion  efficiency  91%   !  Diode-­‐pumped  diamond  Raman  laser  shown  in   2005(4)   31   (3)  Highly  efficient  diamond  Raman  laser,  Mildren  and  Sabella,  Optics  Letters,  2009  vol.  34  (18)  pp.  2811-­‐2813   (4)  Diode  pumped  diamond  Raman  microchip  laser,  Demidovich,  et  al.,    Conference  on  Lasers  and  Electro-­‐Optics  (CLEO)  Europe,  2005,  p.  251   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  
  32. 32. Diamond  for  Hypersonic  Flight   !  Challenge:  extreme  aeroheating  of  vehicle  and  control   surfaces  during  endoatmospheric  flight  (≥  2,500°C)   !  Constrains  thermal  solutions  to  ablative  materials   !  Ablatives  can  substantially  depart  from  nominal   aerosurface  design  during  flight   !  Impact  on  vehicles:   !  Increased  control  authority  required   !  Increased  total  divert  energy  needed   !  Increases  vehicle  weight/size,  reduces  range   !  Introduces  weather  (rain,  dust)  as  launch  limitation   !  Resolution:  robust,  nonablative  thermal  coating   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org   32  
  33. 33. Diamond  for  Hypersonic  Flight   !  Critical  info:  diamond  does  not  bulk  graphitize  at  T  >   2,200°C  for  hours   !  Suggests:    Anti-­‐oxidation  coating  +  thick  diamond   film  could  be  useful  as  a  robust,  nonablative  material   for  some  hypersonic  endoatmospheric  missions.   !  Oxidation  barrier:    Re/Ir  –  affordable  because  <  10µm   !  Low  diamond  TCE  –  helps  maintain  antioxidation   coating  integrity   !  Diamond  hardness/modulus  –  better  resistance  to   particle  erosion  (rain,  dust)  than  ablatives   J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org   33  
  34. 34. The  End   34  J.  Michael  Pinneo,  michael@pinneo.org  

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