Laboraufbau zur hochpräzisen Messung von Magnetfeldern mithilfe von optisch detektierter Magnetresonanz an NV-Zentren in einem Diamant. Der Diamant wurde auf dem Ende einer optischen Faser befestigt.

Einblick in einen kompakten Demonstrator zur rein optischen Messung von Magnetfeldern mit NV-Zentren.

Die Charakterisierung moderner elektronischer Bauelemente und die Gewährleistung deren Zuverlässigkeit wurde von der Heterogeneous Integration Roadmap (HIR)  als stetig wachsende Herausforderung erkannt. NV-Zentren basierten Mikrodiamanten ermöglichen zukünftig Thermo-Magnetische Bildgebung für kritische Bauelemente und Strukturen. Gleichzeitig ist für viele Anwendungen wie z.B. bei den Akkumulatortechnologien eine ortsaufgelöste Magnetfeldmessung wünschenswert, aber bislang praktisch unmöglich.

Die grundlegenden quantenmechanischen Eigenschaften der NV-Zentren sind mittlerweile gut verstanden. Mögliche Anwendungsszenarien im Bereich der Sensorik sind in Form eines „Proof-Of-Principles“ Ansatzes für z.B. zur hochpräzisen Messung von Magnetfeldern, Temperaturen oder auch in der Stoffanalytik mittels Kernspinresonanz gezeigt worden. Jedoch ist der Reifegrad der Technologie für Anwendung in der Industrie insbesondere für die Schnittstellen noch nicht ausreichend, die in diesem Projekt entwickelt werden. Für einen Transfer dieser Technologie von einem Laboraufbau in einem Forschungsinstitut in ein Produkt als Sensor ist die Anbindung zwischen den NV-Zentren im Diamant und der CMOS-Elektronik entscheidend.

Innovation und Perspektiven

Um z.B. die Stromverteilung in Leistungsbauelementen wie beispielsweise in einem IGBT zu visualisieren, kann eine Matrix aus einzelnen Sensorelementen mit dem DLW direkt auf den IGBT aufgedruckt werden. Im Bereich der E-Mobilität bei der Überwachung des Ladezustands von Batteriemodulen kann NV-Zentren basierte Stromsensorik zum Einsatz kommen. Die Möglichkeit der einfachen Skalierbarkeit ermöglicht perspektivisch auch Anwendungen im Bereich eines Lab-on-a-Chip für die chemische Analytik.