由东京科学大学（Science Tokyo）工学院电气电子系的波多野睦子教授和岩崎孝之教授、产业技术综合研究所先进功率电子研究中心的牧野俊晴研究团队长和加藤宙光高级主任研究员，以及信越化学工业株式会社精密功能材料研究所的野口仁首席研究员组成的文部科学省光·量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）团队，成功在异质（非金刚石）基板上异质外延生长出金刚石层，并制备出具有适用于量子传感器的晶体取向和相干时间的量子级（直径超过10毫米）的金刚石晶体基板。此外，我们还开发了一种使用相同基板的金刚石量子传感器，并通过应用精密对准技术，证明了该传感器具有抗噪声能力强、精度高（10毫安）的电流测量能力，可满足电动汽车中电池监测系统的需求。
在所有金刚石晶体中，基于NV中心的金刚石晶体量子传感器是一种坚固耐用的传感器，具有高灵敏度和宽动态范围，并可在包括宽温度范围在内的各种外部环境中工作，是一种多模态传感器，能够同时测量磁场、电场、温度、压力等数据。作为一款高精度传感器，世界上对它的研发正在加速推进。然而，此前由于制造方法的限制，用于量子传感器研发的金刚石晶体基板只能实现几毫米的外延生长。
这项研究通过异质外延CVD生长方法，证明了增加金刚石晶体基板外延生长面积并将其应用于高灵敏度量子传感器制造的可能性。这种新方法有望加速量子传感器在生物识别测量等医疗应用和电动汽车电池监测系统等能源监测产品中的应用。
金刚石作为一种量子材料，具有很大的应用潜力。研究小组一直在研究基于金刚石晶体的量子传感器应用，其中原本应为碳（C）的位置被氮（N）取代，且其相邻位置存在空位（V）的空位复合体（NV中心）。使用NV色心的金刚石量子传感器的特点之一是其稳健性，可在较宽的温度和压力范围内在宽动态范围内稳定运行，并且具有同时测量磁场、电场、温度和压力等物理特性的多模态能力。
到目前为止，用于金刚石量子传感器制造的人造金刚石晶体基板一直采用高温高压法（HPHT法）或高温高压法在金刚石晶体上进行同质外延CVD生长的方法（CVD法）获得。然而，由于原始晶体尺寸的限制，使用这种方法只能获得几毫米尺寸的基板。从工业量产的角度来看，就像半导体器件使用的晶体基板一样，直径越大，同时形成的数量就越多，预计实际量产中晶体基板的面积会更大。
在追求大面积化的过程中，由于硅基板、碳化硅基板和蓝宝石基板等已经能够实现工业量产且尺寸超过英寸级别，因此在这些非金刚石异质基板上生长金刚石晶体层的异质外延生长技术的开发也一直进行着，并且已经发布了英寸级别的产品。然而，到目前为止，异质外延生长尚未获得具有适用于量子传感器规格（111）的大面积晶体基板，并且相干时间也仅为最大几微秒的量级。因此，作为量子传感器的实际应用仅限于通过高温高压法或同质外延生长法生产的金刚石晶体基板。
实现具有生物相容性和宽动态范围的，能够在常温大气中工作的，直径超过10毫米的大面积金刚石量子传感器，这不仅扩展了其应用可能性，还提高了工业量产率。 预计这将加速其在医疗行业中的应用，例如生物识别测量和能源设备应用。例如，目前仅在大型医院提供的高精度生物磁性测量将有望在普通诊所中实现，预计电动汽车电池的使用效率将显著提高，且电池重量有望减少10%。
在文部科学省的光·量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）“通过固体量子传感器的高级控制创造创新传感器系统”的项目中，进一步推进了其在医疗应用方面的目标，即无需大型屏蔽设备或冷冻机即可使用，以及在能源设备应用方面，使其能够安装在电动汽车等各类新能源设备上。 此外，通过QST/SIP合作方式创立的固态量子传感器联盟，将加速该技术在企业内部的推广。
这项研究得到了日本文部科学省的光·量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）“通过固态量子传感器的高级控制创造创新传感器系统”（JPMXS0118067395）的支持。
该技术的详细信息已于2025年1月18日发表在《Advanced Quantum Technologies》期刊中。（DOI：10.1002/qute.202400400）
