异质外延生长技术使得制造更大尺寸的钻石基板成为可能，为工业规模的钻石量子传感器生产开启了新的机遇。一个研究团队成功地在异质（非钻石）基板上制造了大面积的（111）取向钻石晶体基板，展示了在电动汽车电池监测中实现精确、抗噪声电流测量工业化的潜力。
电动汽车（EV）正在引领向可持续交通的转型。然而，有效的电池管理仍然是一个重大挑战，因为传统的监测技术往往缺乏足够的精度和抗噪声能力。钻石量子传感器通过使用氮空位（NV）中心提供了一种先进的解决方案，这些中心是钻石传感器内的关键元素，使其能够探测到磁场中最微小的变化，非常适合准确监测电池系统。尽管这些进展显示出良好的前景，但大规模工业应用仍然面临挑战，需要进一步优化并整合到制造过程中。
钻石量子传感器作为多功能、高灵敏度的工具正在兴起，用于测量磁场和电场、温度和压力。此外，这些传感器还提供生物相容性，使其适用于不仅限于能源系统的多种应用。然而，钻石晶体用于量子传感器的使用往往受到可用基板小尺寸的限制——通常直径仅几毫米——这归因于制造限制。
在最近的一项研究中，由东京科学研究院（Science Tokyo）电气电子工程系的Mutsuko Hatano教授和Takayuki Iwasaki教授领导的研究团队利用异质外延生长技术解决了钻石基板的尺寸限制。他们开发了异质外延（111）钻石量子传感器的平台，该平台在大基板上优先对齐NV中心。这一突破可能为其在电动汽车电池监测中的应用铺平道路。这些钻石晶体基板是在与信越化学工业株式会社和日本先进工业科学技术研究院（AIST）的合作下制造的。这一技术使得在非钻石基板上生长钻石成为可能，并提高了材料质量和传感器性能。他们的研究结果于2025年1月18日发表在《先进量子技术》（Advanced Quantum Technologies）上。
研究团队成功地在非钻石基板上以（111）取向生长了一层厚度为150微米的自立式异质外延化学气相沉积（CVD）钻石薄膜，然后将其分离，以确保高均匀性和晶体质量，提供优越的工业生产力。随后在异质外延钻石上沉积了厚度为150微米的NV-钻石层，获得了20微秒的T2（自旋相干时间）值，相应的替代氮缺陷浓度为8 ppm。传感器头中引入了倾斜补偿机制，以补偿CVD基板固有的切割角（晶体取向的偏差），使传感器性能几乎等同于传统基板。
研究团队使用连续波光学探测磁共振光谱，在光纤传感器配置中估计NV浓度与T2*（相干时间）为0.05 ppm和0.05微秒。传感器的梯度仪设置，两个传感器分别位于母线两侧，展示了低于20 nT/Hz0.5的噪声底限，且未使用磁屏蔽。此外，磁场噪声的艾伦偏差保持在0.3微特斯拉以下，使得在10毫安的弱电流下能够检测到，从10毫秒到100秒的累计时间。
Hatano说：“在减少干扰的同时准确测量电流的能力，使得该传感器成为监测电动汽车电池系统的有希望的候选者，精度和可靠性至关重要。”团队计划通过电子束辐照提高NV中心的密度，以增强灵敏度。此外，他们还将提高荧光收集效率，并使用先进的量子协议延长相干时间，以实现更精确、持久的电流检测。
本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，包括电动汽车电池监测、医疗诊断和能源设备。Hatano总结道：“这一成功有助于加速量子技术的发展，特别是在与可持续发展目标和幸福相关的领域。”
