本文根據國立研究開發法人物質・材料研究機構的研究成果發佈資料編譯而成
日本物質材料研究機構（NIMS）功能性材料研究基地的主任研究員廖梅勇及研修生Zilong Zhang和Huanying Sun，與日本國際奈米結構研究中心（WPI-MANA）的獨立研究員桑立雯和組長小泉聰，以及日本東北大學的戶田雅也副教授等人組成的研究團隊，利用金剛石成功開發出了即使在500℃的高溫下也能以低功耗穩定工作的高靈敏度磁量訊號轉換器。透過從理論上明確金剛石在高溫下也能穩定驅動的機制，克服了現有高溫磁量訊號轉換器的缺點。
除了飛機和汽車引擎的轉速感測器和速度訊號轉換器，探勘石油時的地磁變化檢測和磁性礦產探勘等用途外，超智慧社會（Society 5.0）的實施也離不開可在高溫環境下穩定工作的磁量訊號轉換器。但現有的高溫磁量訊號轉換器存在尺寸大、能量消耗大，或者靈敏度低、在高溫下無法穩定工作等缺點。
爲此，研究人員一直在開發採用具備多感測功能的MEMS（Micro Electro Mechanical Systems：微機電系統） ※1技術的μm尺寸小型、高靈敏度、低功耗磁量訊號轉換器。此次，該研究團隊利用目前在所有物質中擁有最高硬度和楊氏模數的金剛石，成功開發出了超高靈敏度的MEMS感測器。而且，金剛石具備5.5eV的寬頻隙，即使在高溫下電子也不容易被激發，有望以高靈敏度實施穩定的運行。對此，研究團隊從理論和實驗兩方面對其進行了驗證。
實驗和理論驗證的結果均顯示，當金剛石的缺陷能階※2較深時，最大可在700℃的高溫下作爲感測器穩定工作。另外，透過組合使用即使在高溫下也能受外部磁場影響而發生彈性變形的磁致伸縮材料※3，成功開發出了可以在500℃的高溫下穩定工作的MEMS磁量訊號轉換器。而且即使在500℃的高溫下，靈敏度也達到10nT/√Hz。
金剛石MEMS磁量訊號轉換器的懸臂結構與高溫磁感測
此次的成果有望應用於內燃機、石油和礦產探勘、反應爐的材質劣化診斷以及太空用途等惡劣環境下的磁感測。
【名詞解釋】
※1微機電系統（MEMS，Micro-Electromechanical System）
是指將機械部件、感測器、致動器和電子電路整合在一個半導體基底層、或玻璃基底層、有機材料等上面的器件。主要部分包括用來形成立體形狀和可動結構的犧牲層蝕刻工藝。現在已可以製作比微機電系統更小的機械結構，實施納機電系統（NEMS：Nano-Electromechanical System）。
※2能階
根據量子力學理論，大量粒子在重力作用下結合的系統（分子、原子、原子核等）的能量爲一系列的跳變值。按等級的高低來看就是能階。
※3磁致伸縮材料
磁伸縮效應或磁應變爲鐵磁材料的特性，是指向鐵磁材料施加磁場使之磁化後，形狀發生變化的現象。磁致伸縮材料是可以在外部磁場的影響下發生彈性變形的磁性材料。
【論文資訊】
題目：Effect of deep-defects excitation on mechanical energy dissipation of single-crystal diamond
期刊：Physical Review Letters
URL：journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.206802
題目：Enhancing Delta E Effect at High Temperatures of Galfenol/Ti/ Single-Crystal Diamond Resonators for Magnetic Sensing
期刊：ACS Applied Materials & Interfaces 12, 23155 （2020）.
成果發佈資料
編譯：JST客觀日本編輯部
