Das BMBF-Verbundvorhaben DiaQuantFab startete zum 15.5.2019. Die Projektpartner entwickeln innerhalb von drei Jahren kommerzialisierbare Mikrosensorsysteme zur hochpräzisen Magnetfeldmessung sowie kalibrationsfreien Strommessung auf Basis von NV-Zentren in Diamant. Dazu werden entlang der Wertschöpfungskette Herstellungstechnologien auf Industrialisierbarkeit überprüft und optimiert. Erstmals wird auch an der Definition von Qualitätsstandards für den industriellen Einsatz des zukunftsweisenden Quantenmaterials Diamant gearbeitet. Die Projektpartner sind Balluff GmbH (Neuhausen a.d.F.), Diamond Materials GmbH (Freiburg i.Brsg.), EcoDiamond GmbH (Kavelstorf), nano analytik GmbH (Ilmenau), Universität Leipzig (Prof. J. Meijer), Universität Stuttgart (Prof. J. Wrachtrup), Universität Ulm (Prof. F. Jelezko) sowie das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik (Erfurt), durch welches das Verbundprojekt auch koordiniert wird.
Synthetischer Diamant als sensorisches Element
In synthetischem Diamant können absichtlich Verunreinigungen eingebracht werden. Was intuitiv als nachteilig betrachtet werden würde, eröffnet hier ein Spektrum an faszinierenden Eigenschaften und Möglichkeiten: Diamant als besonders stabile Form des Kohlenstoffs wird gezielt mit Stickstoff dotiert und ausgeheilt. Es bilden sich Stickstoff-Leerstellen-Zentren aus (NV-Zentren). Diese sind optisch aktiv und werden deshalb auch Farbzentren genannt. Mit Hilfe dieser NV-Zentren können schon bei Raumtemperatur physikalische Effekte beobachtet werden, die ausschließlich durch quantenphysikalische Ansätze beschreibbar sind. Zudem kann der Zustand der NV-Zentren optisch stimuliert und ausgelesen werden. So sind in den letzten Jahren eine Reihe von weithin beachteten wissenschaftlich Arbeiten entstanden, die sich potentiellen Sensoranwendungen widmen.
Eine dieser Anwendungen ist die höchstpräzise Bestimmung von magnetischen Feldern: Durch die Änderung des Spin-Zustands von NV-Zentren durch ein äußeres Magnetfeld ändert sich in Abhängigkeit eines eingekoppelten elektromagnetischen Wechselfeldes auch deren Emissionsverhalten. Mit Hilfe des ausgelesenen optischen Lumineszenzsignals kann auf die Stärke des äußeren Magnetfelds geschlossen werden. Auf dem Prinzip der optischen Anregung und Auslese von NV-Zentren in äußeren Magnetfeldern basierend, wird berührungslos direkt Zugang zur Stärke eines Magnetfeldes mit höchster Präzision und Genauigkeit erlangt. Ebenfalls können auch direkt mit Magnetismus korrelierte elektrische Messgrößen (z.B. elektrischer Strom) berechnet werden. Im Projekt werden verschiedene Anwendungsfälle aus industrieller Sicht entwickelt und bewertet: Ein makroskopischer Magnetfeldsensor für industrielle Anwendungen sowie ein Magnetometer für mikroskopische Rastersondenverfahren werden von den Projektpartnern entwickelt. Diese Ansätze werden ferner in einem weiteren Demonstrator bewertet, dem Amperemeter für die Bestimmung der elektrischen Stromstärke. Für diese Applikationen sind Verwertungsansätze durch die Industriepartner gegeben.
Standards für den industriellen Einsatz synthetischer Diamanten als „Quantenmaterial“
Die Verfügbarkeit synthetischer Diamantmaterialien ist den letzten Jahren durch einen globalen Zuwachs von Herstellern gestiegen. Prestigeträchtig ist der Einsatz als Schmuckstein. Das größte Marktvolumen umfasst die Schleifmittelindustrie, welche die herausragende Härte des Materials schätzt. Das Quantenmaterial Diamant adressiert dagegen optoelektronische Applikationen und ist für viele verschiedene Anwendungsfälle in der Quantentechnologie (u.a. Sensorik, Kommunikation, Kryptografie) relevant. Dies bietet Chancen und ist Herausforderung zugleich: Um dafür benötigte Materialqualitäten perspektivisch zuverlässig, reproduzierbar und kosteneffizient anbieten zu können, sind Anstrengungen in der Vereinheitlichung und Standardisierung von Messgrößen und –verfahren zu unternehmen. Einheitliche Materialspezifikationen für die spezifischen Applikation müssen definiert werden, um weitere Kosteneinsparpotentiale zu nutzen. Deshalb werden wichtige Kenngrößen zur Charakterisierung von synthetischen Diamanten in verschiedenen Herstellungsphasen gemessen und bewertet, um einen Vorschlag für einen Qualitätsstandard mit Empfehlungen für die Messmethoden zu unterbreiten. Künftige Nutzer erhalten damit einheitliche Qualitätskriterien für eine hohe Marktakzeptanz.
Das Projekt
Das Verbundprojekt „DiaQuantFab – Standardisierungen in der Herstellung und Verarbeitung von Quantenmaterialien am Beispiel von NV-Farbzentren in Diamant zur Realisierung eines hochpräzisen auf Quanteneffekten beruhenden Amperemeters“ wurde durch das BMBF im Call „Schlüsseltechnologien für die Quantensensorik“ (Mai 2017) zur Förderung ausgewählt und wird über drei Jahre mit 1,8 Mio. € bezuschusst. Projektlaufzeit ist vom 15.5.2019 bis 14.5.2022.
Die Partner
- Balluff GmbH (Neuhausen a.d.F.): Lieferant für Industriesensorik und Sensortechnik
- CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik (Erfurt): Si-basierte Sensorik & Forschungstransfer
- Diamond Materials GmbH (Freiburg i.Brsg.): Hersteller hochreiner CVD-Diamantscheiben
- EcoDiamond GmbH (Kavelstorf): Hersteller individueller HPHT-Diamanten
- nano analytik GmbH (Ilmenau): Hersteller verschiedener Rastersonden-Technologien
- Universität Leipzig (Prof. J. Meijer): FG für Festkörperphysik, Manipulation von Diamant
- Universität Stuttgart (Prof. J. Wrachtrup): 3. Physikalisches Institut, NV-basierte Sensorik
- Universität Ulm (Prof. F. Jelezko): Quantenoptik und Diamantwachstum
Koordinator für das Projekt ist das CiS Forschungsinstitut.
Weitere Informationen unter www.DiaQuantFab.de
