Diamond Quantum Imaging erschließt Leistungselektronik der nächsten Generation

Leistungselektronik INSIDER

Diese Methoden zur Analyse von Weichmagneten werden dazu beitragen, die Leistung der Leistungselektronik zu verbessern. (Bild:Science Tokyo)

Die Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz in der Leistungselektronik ist für eine nachhaltige Gesellschaft von entscheidender Bedeutung, wobei Halbleiter mit großer Bandlücke wie GaN- und SiC-Leistungsbauelemente aufgrund ihrer Hochfrequenzfähigkeiten Vorteile bieten. Allerdings behindern Energieverluste in passiven Komponenten bei hohen Frequenzen die Effizienz und Miniaturisierung. Dies unterstreicht den Bedarf an fortschrittlichen weichmagnetischen Materialien mit geringeren Energieverlusten.

In einer in Communications Materials veröffentlichten Studie , hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Mutsuko Hatano von der School of Engineering, Institute of Science, Tokio, Japan, eine neuartige Methode zur Analyse solcher Verluste entwickelt, indem es gleichzeitig die Amplitude und Phase von Wechselstrom-Streufeldern abbildet, was für das Verständnis von Hystereseverlusten von entscheidender Bedeutung ist. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit der Harvard University und Hitachi, Ltd. durchgeführt.

Mithilfe eines Diamant-Quantensensors mit Stickstoff-Leerstellen-Zentren (NV) und der Entwicklung von zwei Protokollen – Qubit-Frequenzverfolgung (Qurack) für kHz und Quanten-Heterodyn-Bildgebung (Qdyne) für MHz-Frequenzen – erreichten sie eine weitreichende Wechselstrom-Magnetfeld-Bildgebung.

Die Forscher führten ein Proof-of-Principe-Experiment zur Abbildung eines Magnetfelds mit großem Frequenzbereich durch, indem sie einen Wechselstrom an eine Spule mit 50 Windungen anlegten und die Frequenz von 100 Hz auf 200 kHz für Qurack und 237 kHz auf 2,34 MHz für Qdyne durchliefen. Wie erwartet wurden die Amplitude und Phase des gleichmäßigen AC-Ampere-Magnetfelds mithilfe von NV-Zentren mit hoher räumlicher Auflösung (2–5 µm) abgebildet, wodurch beide Messprotokolle validiert wurden.

Mit diesem innovativen Bildgebungssystem konnte das Team gleichzeitig die Amplitude und Phase der magnetischen Streufelder der CoFeB-SiO2-Dünnfilme abbilden, die für Hochfrequenzinduktoren entwickelt wurden. Ihre Ergebnisse zeigten, dass diese Filme bis zu 2,3 ​​MHz eine Phasenverzögerung nahe Null aufweisen, was auf vernachlässigbare Energieverluste entlang der harten Achse hinweist. Darüber hinaus stellten sie fest, dass der Energieverlust von der magnetischen Anisotropie des Materials abhängt – wenn die Magnetisierung entlang der leichten Achse vorangetrieben wird, nimmt die Phasenverzögerung mit der Frequenz zu, was einen höheren Energieverlust bedeutet.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse, wie Quantensensorik zur Analyse weichmagnetischer Materialien verwendet werden kann, die bei höheren Frequenzen arbeiten, was als große Herausforderung bei der Entwicklung hocheffizienter elektronischer Systeme gilt. Insbesondere die Fähigkeit, die Domänenwandbewegung aufzulösen, einen der Magnetisierungsmechanismen, die stark mit Energieverlusten zusammenhängen, ist ein entscheidender Schritt, der zu wichtigen praktischen Fortschritten und Optimierungen in der Elektronik führt.

Für die Zukunft hoffen die Forscher, die vorgeschlagenen Techniken auf verschiedene Weise weiter zu verbessern. „Die in dieser Studie verwendeten Qurack- und Qdyne-Techniken können durch einige technische Verbesserungen verbessert werden“, sagte Hatano. „Die Leistung von Qurack kann durch den Einsatz leistungsstarker Signalgeneratoren zur Erweiterung seines Amplitudenbereichs verbessert werden, während die Optimierung der Spinkohärenzzeit und der Mikrowellensteuerungsgeschwindigkeit den Frequenzerkennungsbereich von Qdyne erweitern würde.“

„Die gleichzeitige Abbildung der Amplitude und Phase von magnetischen Wechselfeldern über einen breiten Frequenzbereich bietet zahlreiche potenzielle Anwendungen in den Bereichen Leistungselektronik, Elektromagnete, nichtflüchtige Speicher und Spintronik-Technologien“, sagte Hatano. „Dies trägt zur Beschleunigung der Quantentechnologien bei, insbesondere in Sektoren, die mit nachhaltigen Entwicklungszielen verbunden sind.“

Quelle