金刚石量子成像解锁下一代电力电子器件
电力电子内幕
这些分析软磁体的方法将有助于提高电力电子设备的性能。 （图片来源：科学东京）提高电力电子器件的能量转换效率对于可持续发展的社会至关重要，GaN 和 SiC 功率器件等宽带隙半导体因其高频能力而具有优势。然而，无源元件在高频下的能量损失阻碍了效率和小型化。这凸显了对能量损耗更低的先进软磁材料的需求。
在Communications Materials上发表的一项研究中 日本东京科学研究所工程学院 Mutsuko Hatano 教授领导的研究小组开发了一种通过同时成像交流 (AC) 杂散场的幅度和相位来分析此类损耗的新方法，这是理解磁滞损耗的关键。该研究是与哈佛大学和日立株式会社合作进行的。
使用具有氮空位 (NV) 中心的金刚石量子传感器并开发两种协议 - kHz 的量子位频率跟踪 (Qurack) 和 MHz 频率的量子外差 (Qdyne) 成像 - 他们实现了宽范围交流磁场成像。
研究人员进行了原理验证的宽频率范围磁场成像实验，将交流电流施加到 50 匝线圈，并在 Qurack 的 100 Hz 至 200 kHz 范围内扫描频率，在 Qdyne 的 237 kHz 至 2.34 MHz 范围内扫描频率。正如预期的那样，使用具有高空间分辨率 (2–5 µm) 的 NV 中心对均匀交流安培磁场的振幅和相位进行成像，验证了两种测量协议。
使用这种创新的成像系统，该团队可以同时绘制 CoFeB-SiO2 薄膜的杂散磁场的振幅和相位，该薄膜是为高频电感器开发的。他们的研究结果表明，这些薄膜在高达 2.3 MHz 的频率下表现出接近零的相位延迟，表明沿难轴的能量损失可以忽略不计。此外，他们观察到能量损失取决于材料的磁各向异性 - 当磁化沿易轴驱动时，相位延迟随频率增加，意味着更高的能量耗散。
总体而言，结果展示了如何使用量子传感来分析在较高频率下工作的软磁材料，这被认为是开发高效电子系统的主要挑战。值得注意的是，解决磁畴壁运动（与能量损失密切相关的磁化机制之一）的能力是关键的一步，可导致电子学领域重要的实际进步和优化。
展望未来，研究人员希望以各种方式进一步改进所提出的技术。 “本研究中使用的 Qurack 和 Qdyne 技术可以通过一些工程改进来增强，”波多野说。 “Qurack的性能可以通过采用高性能信号发生器来扩展其幅度范围来增强，而优化自旋相干时间和微波控制速度将扩大Qdyne的频率检测范围。”
Hatano 表示：“对宽频率范围内的交流磁场的振幅和相位进行同步成像，为电力电子、电磁体、非易失性存储器和自旋电子技术领域提供了众多潜在的应用。” “这有助于加速量子技术的发展，特别是在与可持续发展目标相关的领域。”
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