异质外延金刚石量子传感器可用于电动汽车电池监测-安徽省国盛量子科技有限公司

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异质外延金刚石量子传感器可用于电动汽车电池监测

发布时间:

2025-03-04

据国外媒体消息，近日，日本东京科学大学的研究人员利用异质外延生长技术解决了金刚石基板的尺寸限制问题。他们成功开发了一种异质外延（111）金刚石量子传感器平台，该平台在大尺寸基板上实现了优先排列的氮空位（NV）中心。这一技术突破有望为电动汽车电池的监测提供新的可能性，标志着量子传感器在实用化道路上迈出了重要一步。

近年来，新能源汽车产业的蓬勃发展，正引领世界向可持续交通转变。随着新能源电车保有量的增加，对新能源电池管理提出了更多挑战。在传统电池检测技术领域，由于缺乏足够的精度和抗噪音性，在实际检测中存在发展瓶颈。作为新一代电池检测设备——金刚石量子传感器，通过使用氮空位（NV）色心技术为电池监测领域，提供了更好的解决方案，这些NV色心是金刚石传感器中的关键元素，它们能够检测到磁场中极微小的变化，使其成为准确监测电池系统的理想选择。

虽然金刚石量子传感器正在成为测量磁场和电场、温度和压力的多功能、高灵敏度工具，且这些传感器具有高度生物相容性，使其适用于能源系统以外的各种应用。然而由于制造技术限制，金刚石量子传感器所使用的钻石晶体，通常受到可用基板尺寸小（通常直径几毫米）的限制。在最近的一项研究中，由日本东京科学研究所（东京科学）工程学院电气与电子工程系的Mutsuko Hatano教授和Takayuki Iwasaki教授领导的一个研究团队，利用了异外延生长技术来解决钻石基板的尺寸限制，开发了一个异外延金刚石量子传感器的平台，其特征是大基板上优先对齐的NV色心。这一突破可能会为它们用于监控电动汽车电池铺平道路。

在该项研究中，钻石晶体基板是与新越化工有限公司和国家先进工业科学技术研究所（AIST）合作制造的。这项技术使钻石能够在非钻石基材上生长，并提高材料质量和传感器性能。他们的发现于2025年1月18日发表在《高级量子技术》上。该团队成功地在非钻石基材上种植了一种独立的异轴化学气相沉积（CVD）金刚石膜，其方向为111，厚度为150微米，然后将其分离，以确保高均匀性和结晶度，提供卓越的工业生产能力。研究团队将150微米厚的NV钻石层沉积在异轴钻石上，达到20μs的T2（自旋相干时间）值，对应于8ppm的取代氮缺陷浓度。在传感器头中引入了倾斜校正机制，以补偿CVD基板固有的错误切割角度（晶体取向偏差），使传感器性能几乎等同于传统基板。在光纤顶部传感器配置中，该团队使用连续波光学检测的磁共振光谱，预估NV浓度和T2*（去相干时长）分别为0.05 ppm和0.05 μs。传感器的分度计设置上，两个传感器位于母线两侧，在没有磁屏蔽的情况下，噪音底低于20 nT/Hz0.5。此外，其磁场噪声的艾伦偏差保持在0.3μT以下，这使得在10毫秒至100秒的积累时间内检测到低至10毫安的母线电流。

据研究团队成员Hatano说：“这项研究的意义在将干扰最小化的同时，能够准确测量电流的能力，使该传感器成为电动汽车电池检测系统最有前景的候选方案，其中测量的精度和可靠性是最重要的。” 为了改善在嘈杂的汽车环境中的检测，该团队还计划使用电子束辐照来提高NV中心密度，提高灵敏度。它们还将提高荧光收集效率，并延长与高级量子协议的相干时间，以实现更准确、更持久的电流检测。

尽管目前大规模工业化生产金刚石量子传感器还面临诸多挑战，但这项研究展示了量子级钻石基板的工业制造潜力及其在量子技术中的应用，包括在电动汽车电池监测、医疗诊断和能源设备中的应用。 Hatano总结道，这一研究的成功，有助于加速量子技术在与可持续发展目标和福祉相关领域的应用。