Xe điện (EV) đang dẫn đầu quá trình chuyển đổi sang phương tiện giao thông bền vững. Tuy nhiên, quản lý pin hiệu quả vẫn là một thách thức đáng kể, vì các kỹ thuật giám sát truyền thống thường thiếu độ chính xác và khả năng chống nhiễu đầy đủ.
Sự phát triển kim cương heteroepitaxial trên nền không phải kim cương cho phép sản xuất cảm biến lượng tử kim cương ở quy mô công nghiệp để theo dõi pin EV. Tín dụng: Science Tokyo
Cảm biến lượng tử kim cương cung cấp giải pháp tiên tiến bằng cách sử dụng các trung tâm nitơ-vị trí khuyết (NV), đây là các thành phần chính trong cảm biến kim cương cho phép chúng phát hiện ngay cả những thay đổi nhỏ nhất trong từ trường, khiến chúng trở nên lý tưởng để theo dõi chính xác các hệ thống pin. Mặc dù những tiến bộ này cho thấy triển vọng, nhưng việc áp dụng công nghiệp trên quy mô lớn vẫn là một thách thức, đòi hỏi phải tối ưu hóa và tích hợp thêm vào các quy trình sản xuất.
Cảm biến lượng tử kim cương đang nổi lên như những công cụ đa năng, có độ nhạy cao để đo từ trường và điện trường, nhiệt độ và áp suất. Ngoài ra, các cảm biến này có khả năng tương thích sinh học, khiến chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau ngoài các hệ thống năng lượng. Tuy nhiên, việc sử dụng tinh thể kim cương cho cảm biến lượng tử thường bị hạn chế bởi kích thước nhỏ của các chất nền có sẵn—thường là đường kính vài milimét—do những hạn chế về sản xuất.
Trong một nghiên cứu gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Mutsuko Hatano và Giáo sư Takayuki Iwasaki từ Khoa Kỹ thuật Điện và Điện tử, Trường Kỹ thuật, Viện Khoa học Tokyo (Science Tokyo), Nhật Bản dẫn đầu, đã sử dụng công nghệ tăng trưởng heteroepitaxial để giải quyết các hạn chế về kích thước trong các chất nền kim cương. Họ đã phát triển một nền tảng cho các cảm biến lượng tử kim cương heteroepitaxial (111), có các trung tâm NV được căn chỉnh ưu tiên trên các chất nền lớn.
Bước đột phá này có thể mở đường cho việc sử dụng chúng trong việc giám sát pin EV. Các chất nền tinh thể kim cương được chế tạo với sự hợp tác của Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. và Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia (AIST). Kỹ thuật này cho phép kim cương phát triển trên các chất nền không phải kim cương và nâng cao chất lượng vật liệu cũng như hiệu suất cảm biến. Những phát hiện của họ đã được công bố trên tạp chí Advanced Quantum Technologies vào ngày 18 tháng 1 năm 2025.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công màng kim cương lắng đọng hơi hóa học dị hướng (CVD) tự đứng với hướng (111) và độ dày 150 μm trên nền không phải kim cương, sau đó được tách ra để đảm bảo tính đồng nhất và độ kết tinh cao, mang lại năng suất công nghiệp vượt trội.
Sau đó, một lớp kim cương NV dày 150 μm được lắng đọng trên kim cương heteroepitaxial, đạt được giá trị T₂ (thời gian kết hợp spin) là 20 μs, tương ứng với nồng độ khuyết tật nitơ thay thế là 8 ppm. Cơ chế hiệu chỉnh độ nghiêng được đưa vào đầu cảm biến để bù cho góc cắt sai (độ lệch trong hướng tinh thể) vốn có trong các chất nền CVD, cho phép hiệu suất cảm biến gần như tương đương với hiệu suất của các chất nền thông thường.
Sử dụng phổ cộng hưởng từ phát hiện quang học sóng liên tục trong cấu hình cảm biến đầu sợi, nhóm nghiên cứu ước tính nồng độ NV và T₂* (thời gian mất kết hợp) lần lượt là 0,05 ppm và 0,05 μs. Thiết lập máy đo độ dốc của cảm biến, với hai cảm biến được đặt ở hai bên thanh cái, đã chứng minh được mức nhiễu nền nhỏ hơn 20 nT/Hz0,5 mà không cần che chắn từ tính. Ngoài ra, độ lệch Allan của nhiễu từ trường vẫn dưới 0,3 μT, cho phép phát hiện dòng điện thanh cái thấp tới 10 mA trong thời gian tích lũy từ 10 ms đến 100 giây.
Hatano cho biết: "Khả năng đo dòng điện chính xác trong khi giảm thiểu nhiễu khiến cảm biến này trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc giám sát hệ thống pin trong xe điện, nơi độ chính xác và độ tin cậy là tối quan trọng".
Để cải thiện khả năng phát hiện trong môi trường ô tô ồn ào, nhóm nghiên cứu có kế hoạch tăng mật độ trung tâm NV bằng cách sử dụng chiếu xạ chùm electron, tăng độ nhạy. Họ cũng sẽ tăng hiệu quả thu thập huỳnh quang và kéo dài thời gian kết hợp với các giao thức lượng tử tiên tiến để phát hiện dòng điện chính xác hơn, lâu dài hơn.
Nghiên cứu này chứng minh tiềm năng sản xuất công nghiệp của các chất nền kim cương cấp lượng tử và ứng dụng của chúng trong công nghệ lượng tử, bao gồm giám sát pin xe điện, chẩn đoán y tế và thiết bị năng lượng. "Thành công này góp phần thúc đẩy công nghệ lượng tử, đặc biệt là trong các lĩnh vực liên quan đến mục tiêu phát triển bền vững và phúc lợi", Hatano kết luận.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
