Diamond Quantum Imaging maakt stroomelektronica van de volgende generatie mogelijk

Vermogenselektronica INSIDER

Deze methoden voor het analyseren van zachte magneten zullen de prestaties van vermogenselektronica helpen verbeteren. (Afbeelding:Wetenschap Tokio)

Het verbeteren van de energieconversie-efficiëntie in vermogenselektronica is van cruciaal belang voor een duurzame samenleving, waarbij halfgeleiders met een grote bandafstand, zoals GaN- en SiC-vermogensapparaten, voordelen bieden vanwege hun hoogfrequente mogelijkheden. Energieverliezen in passieve componenten bij hoge frequenties belemmeren echter de efficiëntie en miniaturisatie. Dit onderstreept de behoefte aan geavanceerde zachtmagnetische materialen met lagere energieverliezen.

In een onderzoek gepubliceerd in Communicatiemateriaal heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Mutsuko Hatano van de School of Engineering, Institute of Science, Tokyo, Japan, een nieuwe methode ontwikkeld voor het analyseren van dergelijke verliezen door gelijktijdig de amplitude en fase van wisselstroom (AC) strooivelden in beeld te brengen, wat essentieel is voor het begrijpen van hysteresisverliezen. Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met Harvard University en Hitachi, Ltd.

Met behulp van een diamantkwantumsensor met stikstof-vacancy (NV) centra en de ontwikkeling van twee protocollen – qubit-frequentietracking (Qurack) voor kHz en kwantum heterodyne (Qdyne) beeldvorming voor MHz-frequenties – bereikten ze AC-magneetveldbeeldvorming met een groot bereik.

De onderzoekers voerden een proof-of-principle-experiment met magnetische velden met een breed frequentiebereik uit door een wisselstroom toe te passen op een spoel met 50 windingen en de frequentie te verhogen van 100 Hz naar 200 kHz voor Qurack en 237 kHz naar 2,34 MHz voor Qdyne. Zoals verwacht werden de amplitude en fase van het uniforme AC Ampere magnetische veld in beeld gebracht met behulp van NV-centra met een hoge ruimtelijke resolutie (2–5 µm), waarmee beide meetprotocollen werden gevalideerd.

Met behulp van dit innovatieve beeldvormingssysteem kon het team tegelijkertijd de amplitude en fase van magnetische strooivelden in kaart brengen van de dunne CoFeB-SiO2-films, die zijn ontwikkeld voor hoogfrequente inductoren. Uit hun bevindingen bleek dat deze films een fasevertraging van bijna nul vertonen tot 2,3 MHz, wat wijst op verwaarloosbare energieverliezen langs de harde as. Bovendien merkten ze op dat energieverlies afhangt van de magnetische anisotropie van het materiaal:wanneer magnetisatie langs de gemakkelijke as wordt aangedreven, neemt de fasevertraging toe met de frequentie, wat een hogere energiedissipatie betekent.

Over het geheel genomen laten de resultaten zien hoe kwantumdetectie kan worden gebruikt om zachte magnetische materialen te analyseren die op hogere frequenties werken, wat als een grote uitdaging wordt beschouwd bij het ontwikkelen van zeer efficiënte elektronische systemen. Met name het vermogen om domeinwandbewegingen op te lossen, een van de magnetisatiemechanismen die sterk verband houden met energieverliezen, is een cruciale stap die leidt tot belangrijke praktische vooruitgang en optimalisaties in de elektronica.

Vooruitkijkend hopen de onderzoekers de voorgestelde technieken op verschillende manieren verder te verbeteren. "De Qurack- en Qdyne-technieken die in dit onderzoek zijn gebruikt, kunnen worden verbeterd door enkele technische verbeteringen", aldus Hatano. "De prestaties van Qurack kunnen worden verbeterd door hoogwaardige signaalgeneratoren te gebruiken om het amplitudebereik uit te breiden, terwijl het optimaliseren van de spincoherentietijd en de microgolfcontrolesnelheid het frequentiedetectiebereik van Qdyne zou vergroten."

"Gelijktijdige beeldvorming van de amplitude en fase van magnetische AC-velden over een breed frequentiebereik biedt talloze potentiële toepassingen in vermogenselektronica, elektromagneten, niet-vluchtig geheugen en spintronica-technologieën", aldus Hatano. "Dit draagt bij aan de versnelling van kwantumtechnologieën, vooral in sectoren die verband houden met duurzame ontwikkelingsdoelstellingen."

Bron