电动汽车（EV）正在引领向可持续交通运输的转型过渡。然而，有效的电池监测与管理仍然是一项重大挑战，因为传统的监测技术往往缺乏足够的精度和抗噪声能力。
在非金刚石衬底上进行异质外延金刚石生长，有望使面向电动汽车电池监测的金刚石量子传感器实现规模化量产。
金刚石量子传感器通过利用氮-空位（NV）色心提供了一种尖端的解决方案。NV色心是金刚石传感器中的关键元素，使其能够检测磁场中微小的变化，进而成为精确监测电池系统的理想选择。虽然这些进步展现了良好的前景，但其大规模工业应用仍然存在挑战，需要进一步优化并整合到制造流程中。
金刚石量子传感器正在成为一种测量磁场、电场、温度、压力、运动的多功能、高灵敏度工具。此外，这种量子传感器还具有生物兼容性，使其不仅适用于能源系统，还可以应用于更广泛的领域。然而，由于制造工艺的限制，金刚石晶体在量子传感器中的应用往往受限于可用衬底的尺寸限制（通常直径只有几毫米）。
据麦姆斯咨询介绍，日本东京科学大学（Science Tokyo）工程学院电气与电子工程系Mutsuko Hatano教授和Takayuki Iwasaki教授领导的研究小组，利用异质外延生长技术解决了金刚石衬底的尺寸限制问题。他们开发了一种异质外延（111）金刚石量子传感器平台，其特点是在大尺寸衬底上优先排列NV色心。
具有优先排列NV色心的异质外延（111）CVD金刚石工艺
这一突破有望为金刚石量子传感器在电动汽车电池监测中的应用铺平道路。金刚石晶体衬底通过与信越化学株式会社和日本国立产业技术综合研究所（AIST）合作制造。这项技术实现了在非金刚石衬底上生长金刚石，提高了材料质量和传感器性能。该研究成果已经以“Heteroepitaxial (111) Diamond Quantum Sensors with Preferentially Aligned Nitrogen-Vacancy Centers for an Electric Vehicle Battery Monitor”为题发表于Advanced Quantum Technologies期刊。
研究人员成功地在非金刚石衬底上生长出了（111）取向、厚度为150 μm的自立式异质外延化学气相沉积（CVD）金刚石薄膜，然后将其分离以确保高度的均匀性和结晶度，从而提供卓越的工业生产效率。
然后在异质外延金刚石上沉积150 μm厚NV金刚石层，实现20 μs的T₂（自旋相干时间）值，对应于8 ppm的取代型氮缺陷浓度。研究人员在传感器头中引入了倾斜校正机制，以补偿CVD衬底固有的误切角（晶体取向偏差），使传感器的性能几乎与传统衬底相当。
通过在光纤顶部传感器配置中使用连续波光学检测磁共振光谱，研究人员估算出NV浓度和T₂*（退相干时间）分别为0.05 ppm和0.05 μs。在测试该量子传感器时，梯度仪设置有两个传感器，分别位于母线的两侧，在没有磁屏蔽的情况下，本底噪声小于20 nT/√Hz。此外，磁场噪声的阿伦偏差保持在0.3 μT以下，从而能够在10 ms至100 s的累积时间内检测到低至10 mA的母线电流。
采用异质外延（111）金刚石量子传感器进行电动汽车电池监测
Hatano说：“这种量子传感器既能精确测量电流，又能最大限度地减少干扰，因此很有希望用于监控电动汽车的电池系统，对于这些电池系统精确度和可靠性是最重要的。”
为了提高在嘈杂汽车环境中的检测能力，研究人员计划利用电子束辐照来增加NV色心密度，从而提高灵敏度。他们还将提高荧光收集效率，并利用先进的量子协议延长相干时间，以实现更准确、更持久的电流检测。
这项研究证明了量子级金刚石衬底的工业化制造潜力，及其在量子传感中的应用，包括电动汽车电池监测、医疗检测与诊断、能源监测设备等。Hatano总结道：“这一成果有助于加快量子传感技术的发展，尤其是在与可持续发展目标和福祉相关的领域。”
论文链接：
https://doi.org/10.1002/qute.202400400
电动汽车（EV）正在引领向可持续交通运输的转型过渡。然而，有效的电池监测与管理仍然是一项重大挑战，因为传统的监测技术往往缺乏足够的精度和抗噪声能力。
在非金刚石衬底上进行异质外延金刚石生长，有望使面向电动汽车电池监测的金刚石量子传感器实现规模化量产。
金刚石量子传感器通过利用氮-空位（NV）色心提供了一种尖端的解决方案。NV色心是金刚石传感器中的关键元素，使其能够检测磁场中微小的变化，进而成为精确监测电池系统的理想选择。虽然这些进步展现了良好的前景，但其大规模工业应用仍然存在挑战，需要进一步优化并整合到制造流程中。
金刚石量子传感器正在成为一种测量磁场、电场、温度、压力、运动的多功能、高灵敏度工具。此外，这种量子传感器还具有生物兼容性，使其不仅适用于能源系统，还可以应用于更广泛的领域。然而，由于制造工艺的限制，金刚石晶体在量子传感器中的应用往往受限于可用衬底的尺寸限制（通常直径只有几毫米）。
据麦姆斯咨询介绍，日本东京科学大学（Science Tokyo）工程学院电气与电子工程系Mutsuko Hatano教授和Takayuki Iwasaki教授领导的研究小组，利用异质外延生长技术解决了金刚石衬底的尺寸限制问题。他们开发了一种异质外延（111）金刚石量子传感器平台，其特点是在大尺寸衬底上优先排列NV色心。
具有优先排列NV色心的异质外延（111）CVD金刚石工艺
这一突破有望为金刚石量子传感器在电动汽车电池监测中的应用铺平道路。金刚石晶体衬底通过与信越化学株式会社和日本国立产业技术综合研究所（AIST）合作制造。这项技术实现了在非金刚石衬底上生长金刚石，提高了材料质量和传感器性能。该研究成果已经以“Heteroepitaxial (111) Diamond Quantum Sensors with Preferentially Aligned Nitrogen-Vacancy Centers for an Electric Vehicle Battery Monitor”为题发表于Advanced Quantum Technologies期刊。
研究人员成功地在非金刚石衬底上生长出了（111）取向、厚度为150 μm的自立式异质外延化学气相沉积（CVD）金刚石薄膜，然后将其分离以确保高度的均匀性和结晶度，从而提供卓越的工业生产效率。
然后在异质外延金刚石上沉积150 μm厚NV金刚石层，实现20 μs的T₂（自旋相干时间）值，对应于8 ppm的取代型氮缺陷浓度。研究人员在传感器头中引入了倾斜校正机制，以补偿CVD衬底固有的误切角（晶体取向偏差），使传感器的性能几乎与传统衬底相当。
通过在光纤顶部传感器配置中使用连续波光学检测磁共振光谱，研究人员估算出NV浓度和T₂*（退相干时间）分别为0.05 ppm和0.05 μs。在测试该量子传感器时，梯度仪设置有两个传感器，分别位于母线的两侧，在没有磁屏蔽的情况下，本底噪声小于20 nT/√Hz。此外，磁场噪声的阿伦偏差保持在0.3 μT以下，从而能够在10 ms至100 s的累积时间内检测到低至10 mA的母线电流。
采用异质外延（111）金刚石量子传感器进行电动汽车电池监测
Hatano说：“这种量子传感器既能精确测量电流，又能最大限度地减少干扰，因此很有希望用于监控电动汽车的电池系统，对于这些电池系统精确度和可靠性是最重要的。”
为了提高在嘈杂汽车环境中的检测能力，研究人员计划利用电子束辐照来增加NV色心密度，从而提高灵敏度。他们还将提高荧光收集效率，并利用先进的量子协议延长相干时间，以实现更准确、更持久的电流检测。
这项研究证明了量子级金刚石衬底的工业化制造潜力，及其在量子传感中的应用，包括电动汽车电池监测、医疗检测与诊断、能源监测设备等。Hatano总结道：“这一成果有助于加快量子传感技术的发展，尤其是在与可持续发展目标和福祉相关的领域。”
论文链接：
https://doi.org/10.1002/qute.202400400
