전원 온라인 바카라 내부의 전기장을 성공적으로 측정

JST 전략적 크리에이티브 리서치 프로모션 프로젝트의 일환 으로이 그룹에는 타카야키 이와사키 조교수와 도쿄 기술 연구소의 하타 노 무츠 코 (Hatano Mutsuko) 교수와 고급 전력 전자 연구 센터 (Advanced Power Electronics Research Center), 국립 고급 산업 과학 및 기술 연구소의 책임자 인 마키노 토시 하루 (Makino Toshiharu)가 포함되어 있습니다전원 온라인 바카라^{참고 1)}내부의 원자 레벨 구조질소-진전 (NV) 센터^{참고 2)}그리고 나노 미터 스케일에서 고전압 작동 중에 전력 온라인 바카라 내에서 전기장 강도에 대한 세계 최초의 성공적인 정량적 측정이었습니다

저탄소 사회에 크게 기여하는 전력 온라인 바카라에는 전통적인 SI (실리콘) 반도체, SIC (실리콘 카바이드), 간 (갈륨 질소), 다이아몬드 등이 포함됩니다넓은 밴드 갭 반도체^{참고 3)}를 사용하여 차세대 전원 온라인 바카라로 교체함으로써 더 큰 에너지 절약과 장비의 소형화를 달성 할 수 있습니다 전원 온라인 바카라의 대규모 전압을 유지하는 것이 중요하지만 지금까지 전압이 적용될 때 온라인 바카라 내부의 전기장을 정량적으로 측정하는 것은 불가능했습니다

연구 그룹은 원자 크기 NV 센터전자 ​​스핀^{참고 4)}우리는 전기장으로 레벨을 바꾸는 새로운 전기장 센서를 제안했으며 전원 온라인 바카라 내부에 형성되는 동안 조명을 감지함으로써 온라인 바카라 내부의 전기장은 현장에서 정량적으로 측정 할 수 있음을 보여 주었다 온라인 바카라 시뮬레이션이 어려운 상황에 적용될 것으로 예상되며, 전원 온라인 바카라의 작동을 측정함으로써 차세대 저소로 전력 전자 온라인 바카라의 실현에 기여할 수 있습니다

이 연구 결과는 2017 년 1 월 23 일 (Eastern US Time)에 American Chemical Society의 Academic Journal ACS Nano에서 온라인으로 출판되었습니다

다이아몬드 반도체는 전력 손실이 낮은 차세대 저 지 손실 전력 전자 제품을 구축하는 고성능 온라인 바카라 재료입니다 다이아몬드 온라인 바카라의 실현으로 자동차, 철도 및 자연 에너지를 사용한 발전과 같은 고전력 변환 중에는 에너지 소비가 크게 줄어들고 스마트 그리드의 전력을 제어 할 것으로 예상됩니다 새로운 재료를 사용하는 전원 온라인 바카라를 신속하게 사용하려면 각 온라인 바카라 내부의 정보를 감지하고 온라인 바카라 제조에 대한 피드백을 제공하며 개발을보다 효율적으로 발전시키는 것이 중요합니다

반도체 온라인 바카라 내부의 전기장은 온라인 바카라 성능을 결정하는 중요한 요소입니다 전기장 강도가 재료 파괴 한계를 초과하면 시스템은 정상적이고 안전하게 작동 할 수 없습니다 예상치 못한 작동 및 성능에 대한 자세한 분석을 위해서는 전원 온라인 바카라의 내부 전기장을 직접 관찰하는 기술이 필요합니다 현재 전기적 특성 평가로스캐닝 프로브 현미경^{참고 5)}를 사용하는 방법이 있지만,이 경우 재료의 표면 만 측정하여 정량적, 나노 미터 규모의 공간 해상도로 내부 전기장을 측정하기가 어렵습니다

이 문제를 해결하기 위해 연구 그룹은 다이아몬드 반도체의 NV (Nitrogen-Vacancies) 센터를 사용하여 온라인 바카라 내부의 전기장을 직접 측정하는 방법을 개발했습니다 NV 중심은 하나의 질소 원자와 다이아몬드 격자에서 하나의 공극으로 구성된 원자 수준 구조를 가지므로 전기장, 자기장 및 온도와 같은 외부 환경 변화를 측정 할 수 있습니다 (그림 1) NV 중심은 다이아몬드의 큰 밴드 갭 동안 에너지 레벨을 형성하여 열적으로 안정적이며 실온과 대기 공기에서도 민감한 센서 역할을합니다

그림 1 : NV Center의 다이아몬드 전력 온라인 바카라의 내부 전기장 감지

(왼쪽 다이어그램) NV 센터의 구조 다이어그램 (중심) NV 중심의 공 초점 현미경 이미지 (오른쪽 다이어그램) 측정 시스템 및 온라인 바카라 구조 NV Center는 질소 (N) 및 공석 (V)으로 대체 된 다이아몬드에서 서로 인접한 탄소 원자의 한 유형이며, 매우 민감한 자기 센서, 전기장 센서 및 온도 센서를 포함한 광범위한 응용 분야에서 사용될 것으로 예상됩니다 중앙보기에서, 온라인 바카라에서 생성 된 NV 센터에서 방출되는 공 초점 현미경 이미지에서 밝은 반점이 보입니다 전자 레인지와 반대 방향으로 바이어스하는 동안이 방출의 강도를 측정함으로써 온라인 바카라 내부의 전기장을 감지 할 수 있습니다

이 연구는 다이아몬드 전원 온라인 바카라 내부에 NV 센터를 만들어 온라인 바카라에 적용되는 고 전기장을 정량적으로 직접 측정 한 세계 최초의 연구였습니다 그림 1은 NV 센터 및 전기장 측정을위한 감지 시스템을 포함한 다이아몬드 핀 다이오드의 구조를 보여줍니다 질소 이온을 다이아몬드 온라인 바카라에 이식함으로써, 센서는 표면에서 약 350 nm 깊이로 형성되며, 이는 각 NV 중심을 분리 할 수있다 공간 분해능은 약 300 nm, 빛의 회절 한계이며, 나노 미터 스케일에서 내부 측정을 허용합니다

전원 온라인 바카라는 스위치가 꺼져있을 때 큰 전압을 유지하고 높은 내부 전기장을 생성합니다 따라서, 핀 다이오드를 역 바이어스에 적용 할 때 전기장 측정이 수행되었다 (도 2 (a)) 또한 NV 센터가 설치된 후에도 온라인 바카라는 여전히 낮은 누출 전류를 유지하고 다이오드로 작동한다는 것을 확인했습니다

측정은사진 검출 자기 공명 (ODMR)^{참고 6)}로 완료되었습니다 녹색 레이저가있는 여기에서 NV 중심에 의해 방출되는 적색 형광을 관찰함으로써, NV 중심의 스핀 레벨에 해당하는 마이크로파 주파수 위치에서 적색 강도의 감소를 활용하여 NV 중심이 느끼는 전기장을 감지합니다 이 에너지 위치는 전기장과의 상호 작용과 ODMR의 공명 지점으로 인해 변화하여 전기장을이 시프트 양으로부터 정량적으로 결정할 수있게한다 그림 2 (b)는 바이어스가 역 방향으로 증가 할 때 ODMR 스펙트럼을 보여줍니다 전압이 증가함에 따라 배출 강도의 계곡 (공명 지점)이 어떻게 변하는 지 알 수 있습니다 이것은 NV 중심의 N-V 축에 수직 인 전기장 E_⊥| 감지에 해당합니다 그림 2 (c)는 공명 지점의 위치에서 전기장을 계산 한 결과를 보여줍니다 전압이 증가함에 따라 전기장도 증가하여 150V에서 약 350kV/cm에 도달합니다 이것은 NV 중심에서 감지되는 가장 큰 전기장입니다 실험에서 얻은 전기장 강도는 온라인 바카라 시뮬레이터의 결과와 일치하며 전력 온라인 바카라의 내부 전기장이 나노 미터 스케일에서 정량적으로 측정 될 수 있음을 확인했습니다

그림 2 : 광 검출기 자기 공명 (ODMR)을 사용한 전기장 측정

(a) 다이아몬드 핀 다이오드의 전류-전압 특성 (b) 역 바이어스가 적용될 때 ODMR 스펙트럼 (c) 감지 전기장과 전압의 관계 큰 전압이 적용될 때 빛나는 강도가 감소하는 빛나는 강도의 계곡 (공명 지점)의 위치가 바뀌는 것을 알 수 있습니다 오른쪽의 다이어그램은 발광 강도의 계곡 너비에서 계산 된 전기장을 보여줍니다 결과는 온라인 바카라 시뮬레이션과 일치 하며이 기술을 사용하면 온라인 바카라의 내부 전기장을 정량적으로 측정 할 수 있음을 알 수 있습니다

이 연구는 전력 온라인 바카라의 내부 전기장이 정량적으로 그리고 나노 미터 규모로 측정 될 수 있음을 보여줍니다 이 기술은 예기치 않은 전기장 농도, 큰 누출 전류 및 유전체 파괴 전압이 적용될 때 필드 측정과 같은 정확한 시뮬레이션이 어려운 상황에 적용될 수 있습니다 또한 여러 NV 센터를 사용하면 전기장 강도를 이미지화 할 수 있습니다 게다가슈퍼 해상도 현미경^{참고 7)}와 결합함으로써 공간 해상도는 약 10 nm로 향상 될 수 있으며 전력 온라인 바카라의 작동 분석을 통해 재료 개발에 대한 피드백을 가속화함으로써 차세대 저직한 전력 전자 온라인 바카라의 실현에 기여할 수 있습니다

다이아몬드의 NV 센터 외에도, 원자 수준의 발광 구조 (예 : SI의 SI 구멍)는 SIC (실리콘 카바이드), GAN (질소 갈륨), ALN (알루미늄 질화물) 및 H-BN (hexagonal boron Nitride)을 포함한 다양한 넓은 밴드 갭 재료에서 발견된다는 것이 확인되었다 광 방출 구조 및 스핀 제어 기술을 형성하는 방법의 개발로 인해 이번에 개발 된 측정 방법은 이러한 재료에도 적용될 것으로 예상됩니다

이 결과의 일부는 Tepco Memorial Foundation Research Grant (Basic Research)의 지원으로 얻었습니다

참고 1) 전원 온라인 바카라 (전원 반도체 온라인 바카라)

홈 어플라이언스, 자동차, 철도 및 전력 전송과 같은 인프라의 전압, 전류 및 주파수를 제어하는 ​​반도체 온라인 바카라 및 에너지 절약 전력 변환을 담당합니다 에너지를 추가로 줄이기 위해, 전류 용량이 큰 온라인 바카라, 고전압 견고한 전압 및 고열 소산이 필요하며, 다이아몬드는 전력 온라인 바카라로 사용될 것으로 예상됩니다[참조로 돌아 가기]

참고 2) 질소 진영 (NV) 센터

다이아몬드 결정의 복합 결함 유형 및 인접한 인접한 질소 및 공석, 불순물 원자에 의해 형성된 원자 수준 구조 스플릿 전자 스핀 레벨이 있으며, 사용하면 매우 민감한 측정이 가능합니다[참조로 돌아 가기]

참고 3) 와이드 밴드 갭 반도체

큰 밴드 갭이있는 반도체 재료이며 높은 고장 필드 강도를 가지므로 차세대 저소도 전력 온라인 바카라에 중요합니다 주로 사용되는 SI의 밴드 갭은 11 eV이지만, SIC (실리콘 카바이드), 간 (질소 갈륨), 다이아몬드 반도체 등의 밴드 갭은 여러 배 더 큽니다 (55 eV 다이아몬드)[참조로 돌아 가기]

참고 4) 전자 스핀

전자에 의해 유지되는 각도 운동량 중 하나 NV 중심에는 지상 상태에 고유 상태가 0, -1 및 +1이 있으며, 0 → -1 및 0 → +1의 공명을 검사함으로써 전기장, 자기장, 온도 등과 같은 정보를 측정 할 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

참고 5) 스캐닝 프로브 현미경

프로브를 샘플 표면에 가깝게 가져 와서 매우 날카로운 팁과 측정을 가진 현미경의 일반적인 용어 표면 모양을 추적함으로써 구조, 전기 및 자기 특성을 관찰 할 수 있습니다 샘플 표면의 전위는이 유형의 유형 인 켈빈 프로브 힘 현미경을 사용하여 측정 할 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

참고 6) 광학적으로 감지 된 자기 공명 (ODMR)

전자 ​​스핀 공명을 광학적으로 감지하는 기술 EPR은 전자 레인지로 전자 스핀 레벨 사이를 공명하여 짝을 이루지 않은 전자를 감지하는 기술이며 ODMR은 샘플로부터의 빛을 감지하는 데 사용됩니다[참조로 돌아 가기]

참고 7) 수퍼 해상도 현미경

광학 현미경의 공간 분해능은 빛의 회절 한계에 의해 제한되지만 공간 분해능을 초과하는 성능을 갖는 현미경입니다 2014 년 노벨 화학상은 슈퍼 해상도 현미경 개발로 수상되었습니다[참조로 돌아 가기]