鑽石量子感測器：電動車電池監控的未來之星

電動車（EV）正引領著全球邁向永續交通的轉型。然而，有效的電池管理仍是一大挑戰，傳統的監控技術往往缺乏足夠的精確度和抗噪能力。鑽石量子感測器提供了一種尖端解決方案，利用氮空位（NV）中心，這些是鑽石感測器中的關鍵元素，使其能夠檢測到磁場中最微小的變化，從而成為精確監控電池系統的理想選擇。儘管這些技術進步顯示出巨大潛力，但要實現大規模工業應用仍需進一步最佳化並整合到製造流程中。

鑽石量子感測器正逐漸成為測量磁場、電場、溫度和壓力的多功能高靈敏度工具。此外，這些感測器具有生物相容性，使其適用於能源系統之外的各種應用。然而，由於製造限制，可用於量子感測器的鑽石晶體基板通常直徑僅有幾毫米，這限制了其使用。

在最近的一項研究中，由日本東京科學大學（Science Tokyo）電氣與電子工程系的服部睦子教授和巖崎隆之教授領導的研究團隊，利用異質外延生長技術解決了鑽石基板的尺寸限制。他們開發了一種異質外延（111）鑽石量子感測器平臺，該平臺具有在大基板上優先排列的NV中心。這項突破可能為其在監控電動車電池中的應用鋪平道路。

該團隊與信越化學工業株式會社和日本產業技術綜合研究所（AIST）合作，成功在非鑽石基板上生長出具有高均勻性和結晶性的自支撐異質外延化學氣相沉積（CVD）鑽石薄膜，厚度達150微米。隨後，他們在異質外延鑽石上沉積了150微米厚的NV-鑽石層，達到了20微秒的T₂（自旋相干時間）值，對應的替代氮缺陷濃度為8 ppm。透過引入傾斜校正機制，感測器頭部能夠補償CVD基板固有的切割角度偏差，使感測器效能幾乎與傳統基板相當。

研究團隊使用連續波光學檢測磁共振光譜法，在光纖頂部感測器配置中估計了NV濃度和T₂*（去相干時間）分別為0.05 ppm和0.05微秒。感測器的梯度計設定，將兩個感測器放置在母線的兩側，在沒有磁遮蔽的情況下，噪聲底限低於20 nT/Hz^0.5。此外，磁場噪聲的艾倫偏差保持在0.3 μT以下，這使得在10毫秒到100秒的累積時間內，能夠檢測到低至10 mA的母線電流。

服部教授表示：「這種感測器能夠在最小化幹擾的情況下精確測量電流，使其成為監控電動車電池系統的有力候選者，其中精確度和可靠性至關重要。」為了提高在嘈雜汽車環境中的檢測能力，團隊計劃透過電子束照射增加NV中心密度，從而提高靈敏度。他們還將提升螢光收集效率，並透過先進的量子協議延長相干時間，以實現更精確、持久的電流檢測。

這項研究展示了量子級鑽石基板的工業製造潛力及其在量子技術中的應用，包括電動車電池監控、醫療診斷和能源裝置。服部教授總結道：「這一成功有助於加速量子技術的發展，特別是在與永續發展目標和福祉相關的領域。」