mile米乐m6(中国)官方网站v 利用在不同基底上生长的金刚石晶体成功开发出高灵敏度量子传感器

－为加速量子品质金刚石基板的工业化制造和应用做出贡献－

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通过在异质衬底上采用异质外延生长技术，我们实现了直径10毫米以上的“量子品质”金刚石晶体衬底的生产，具有适合量子传感器的（111）晶体取向和相干时间
在不同基板上使用金刚石晶体基板的金刚石量子传感器实现了电动汽车车载电池监控器所期望的高精度（10 mA）
有望用于大面积量子质量金刚石基板和包括量子传感器在内的量子应用

摘要

8281_8514 相干时间（第 1 条）。我们还开发了使用相同基板的金刚石量子传感器，并通过应用精密对准技术，我们展示了电动汽车电池监视器所期望的抗噪声、高精度（10 mA）电流测量。

钻石晶体 NV中心的金刚石量子传感器（术语2）是一种坚固耐用的传感器，可在广泛的外部环境（包括较宽的温度范围）下工作，具有高灵敏度和宽动态范围，并且可以同时测量磁场、电场、温度、压力等。多式联运（第 3 期）传感器的发展正在世界范围内加速。然而，由于制造方法的限制，迄今为止用于量子传感器的金刚石晶体基板的尺寸只有几毫米。

这项研究是异质CVD（第 4 项）这证明了通过生长增加金刚石基板面积并将其应用于高灵敏度量子传感器的可能性。这展示了增加量子品质金刚石晶体基板和量子传感器等固态量子应用面积的可能性，并有望加速量子传感器在生物测量等医疗应用和电动汽车车载电池监视器等能源设备应用中的应用。

此结果基于“先进的量子技术》杂志。

背景

金刚石作为量子材料具有很高的潜力。该研究小组一直在研究将量子传感器应用于空位复合体（NV中心），其中氮（N）位于金刚石晶体中碳（C）原本所在的位置，空位（V）位于其旁边。使用NV中心的金刚石量子传感器的特点包括其鲁棒性，使其能够在较宽的温度和压力范围内稳定地、在宽动态范围内运行，以及其多模态性，使其能够同时测量磁场、电场、温度和压力等物理特性。

迄今为止，用于金刚石量子传感器的人造金刚石晶体基板是通过高温高压法（HPHT法）或通过在高温高压法形成的金刚石晶体上进行同质外延CVD生长（CVD法）来生产的。然而，由于原始晶体尺寸的限制，该方法只能用于几毫米尺寸的衬底。从工业量产的角度来看，像半导体器件用的晶体基板一样，直径越大，可以同时形成的数量越多，面积也越大。

以增大面积为目的，硅衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底等已经工业化量产英寸尺寸或更大的衬底，因此在这些非金刚石异质衬底上生长金刚石晶体层的异质外延生长技术已经开发了一段时间，英寸尺寸的衬底也已公布。然而，迄今为止，还没有通过异质外延生长获得适合量子传感器的大面积（111）取向晶体基板，并且最大相干时间在几微秒量级。因此，采用高温高压或同质外延生长方法生长的金刚石晶体基板已被证明适用于量子传感器。

研究结果

在这项研究中，我们利用高质量异质外延 CVD 生长技术，成功在非金刚石异质基板上形成了量子传感器所需质量的金刚石晶体层（图 1）。其直径超过 10 毫米，比之前的型号更大。当我们测量衡量量子计算机和量子传感器运行稳定性的相干时间（T2）时，我们发现新合成的金刚石晶体层中NV中心的T2超过20μs，这是适合量子传感器应用的质量。

作为量子传感器，我们将合成金刚石晶体基板加工成 2 毫米见方，并将其安装在光纤尖端上（图 2），并开发了配备精密对准机构的传感器支架，可以调整晶体方向，这对于 CVD 生长的晶体非常重要（图 3）。通过将该传感器成对放置在测量目标（母线）的上方和下方并对其进行差分操作，我们在没有磁屏蔽的情况下实现了超过 20 nT/√Hz 的磁灵敏度。因此，我们展示了电动汽车电池监视器所期望的抗噪声、高精度（10 mA）电流测量，这也是本研究小组的研究目标之一。

在这项研究中，我们证明了通过异质外延 CVD 生长增加金刚石基板面积并将其应用于高灵敏度量子传感器的可能性。这证明了增加量子质量金刚石晶体基板和量子传感器等固态量子应用面积的可能性，并有望加速使用量子传感器的生物测量等医疗应用和电动汽车车载电池监视器等能源设备应用。

图1（上）异质外延生长金刚石基底的制造过程，（下）处于状态（iii）的基底的照片

图 2 安装在光纤尖端的金刚石量子传感器

图 3 具有精密对准机构的金刚石量子传感器支架

社会影响

具有生物相容性、宽动态范围、在大气中室温下工作的金刚石量子传感器现在可以制造直径10毫米或更大的大面积，扩大了其应用可能性并提高了工业量产。预计这将加速其在生物仪器和能源设备应用等医疗应用中的应用。例如，预计目前仅在大型医院提供的先进生物磁测量将在城市诊所提供，并且将有可能提高电动汽车电池的使用效率并减轻10%的重量。

未来发展

文部科学省的光学与量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）“通过固态量子传感器的先进控制创造创新的传感器系统”，我们将进一步推动社会实施，目标是使其能够应用于无需大型屏蔽设备或冰箱的医疗应用，以及能够安装在汽车等车辆中的能源设备应用。此外，通过QST/SIP合作发起的固态量子传感器联盟将加速参与公司之间的技术传播。

附加说明

这项研究得到了文部科学省光学和量子飞跃旗舰计划 (Q-LEAP)“通过固态量子传感器的高级控制创建创新传感器系统”(JPMXS0118067395) 的支持。

术语解释

(1) 相干时间: 电子自旋保持其量子性质的时间称为相干时间。量子传感器的相干时间越长，其灵敏度就越好。通过实现晶体缺陷少的高质量晶体，可以延长相干时间。[返回来源]
(2) NV中心: 金刚石晶体中的氮空位复合缺陷。它利用绿色激发光照射时红色荧光的变化，在室温下作为空气中的固态量子传感器工作。[返回来源]
(3) 多式联运: 能够同时测量磁场、电场、温度、压力等多个物理量。即使温度发生变化，也可以分别测量磁场和温度，因此具有能够不受温度影响地测量磁场等优点。[返回来源]
(4)异质CVD: 一种利用化学气相沉积 (CVD) 实现外延生长，同时保持异质晶种基板上的结晶度的技术。[返回来源]

论文信息

已出版的杂志：先进的量子技术
论文标题：用于电动汽车电池监控器的具有优先对齐氮空位中心的异质外延 (111) 金刚石量子传感器
作者：Kenichi Kajiyama、Moriyoshi Haruyama、Yuji Hatano、Hiromitsu Kato、Masahiko Ogura、Toshiharu Makino、Hitoshi Noguchi、Takeharu Sekiguchi、Takayuki Iwasaki 和 Mutsuko Hatano
DOI：101002/qute202400400

研究员简介

波野睦子
东京理科大学工学院电气电子工程系教授
研究领域：半导体器件、金刚石量子传感器

岩崎隆之
东京理科大学工学院电气电子工程系教授
研究领域：金刚石量子传感器、量子光源

牧野俊治
国立先进产业技术研究院先进电力电子研究中心研究组组长
研究领域：半导体器件、金刚石量子传感器

加藤弘光
产业技术综合研究所先进电力电子研究中心高级首席研究员
研究领域：晶体生长、金刚石量子传感器

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