Diamond Quantum Imaging ouvre la voie à l’électronique de puissance de nouvelle génération

INSIDER sur l'électronique de puissance

Ces méthodes d’analyse des aimants souples contribueront à améliorer les performances de l’électronique de puissance. (Image : Science Tokyo)

L'amélioration de l'efficacité de la conversion d'énergie dans l'électronique de puissance est vitale pour une société durable, les semi-conducteurs à large bande interdite tels que les dispositifs de puissance GaN et SiC offrant des avantages en raison de leurs capacités haute fréquence. Cependant, les pertes d’énergie dans les composants passifs aux hautes fréquences nuisent à l’efficacité et à la miniaturisation. Cela souligne la nécessité de matériaux magnétiques doux avancés avec des pertes d'énergie moindres.

Dans une étude publiée dans Communications Materials , une équipe de recherche dirigée par le professeur Mutsuko Hatano de l'École d'ingénierie de l'Institut des sciences de Tokyo, au Japon, a développé une nouvelle méthode pour analyser de telles pertes en imageant simultanément l'amplitude et la phase des champs parasites du courant alternatif (AC), ce qui est essentiel pour comprendre les pertes par hystérésis. L'étude a été réalisée en collaboration avec l'Université Harvard et Hitachi, Ltd.

En utilisant un capteur quantique en diamant doté de centres de lacune à l'azote (NV) et en développant deux protocoles :le suivi de la fréquence des qubits (Qurack) pour les kHz et l'imagerie hétérodyne quantique (Qdyne) pour les fréquences MHz, ils ont obtenu une imagerie du champ magnétique alternatif à large plage.

Les chercheurs ont mené une expérience d'imagerie de champ magnétique à large plage de fréquences en appliquant un courant alternatif à une bobine de 50 tours et en balayant la fréquence de 100 Hz à 200 kHz pour Qurack et de 237 kHz à 2,34 MHz pour Qdyne. Comme prévu, l'amplitude et la phase du champ magnétique uniforme AC Ampere ont été imagées à l'aide de centres NV avec une résolution spatiale élevée (2 à 5 µm), validant les deux protocoles de mesure.

Grâce à ce système d’imagerie innovant, l’équipe a pu cartographier simultanément l’amplitude et la phase des champs magnétiques parasites des couches minces CoFeB-SiO2, développées pour les inducteurs haute fréquence. Leurs résultats ont révélé que ces films présentent un retard de phase proche de zéro jusqu'à 2,3 MHz, indiquant des pertes d'énergie négligeables le long de l'axe dur. De plus, ils ont observé que la perte d'énergie dépend de l'anisotropie magnétique du matériau :lorsque la magnétisation est entraînée le long de l'axe facile, le retard de phase augmente avec la fréquence, ce qui signifie une dissipation d'énergie plus élevée.

Dans l’ensemble, les résultats montrent comment la détection quantique peut être utilisée pour analyser des matériaux magnétiques doux fonctionnant à des fréquences plus élevées, ce qui est considéré comme un défi majeur dans le développement de systèmes électroniques hautement efficaces. Notamment, la capacité à résoudre le mouvement des parois de domaines, l'un des mécanismes de magnétisation fortement liés aux pertes d'énergie, constitue une étape cruciale, conduisant à d'importantes avancées pratiques et optimisations en électronique.

Pour l’avenir, les chercheurs espèrent améliorer encore les techniques proposées de diverses manières. "Les techniques Qurack et Qdyne utilisées dans cette étude peuvent être améliorées par certaines améliorations techniques", a déclaré Hatano. "Les performances de Qurack peuvent être améliorées en adoptant des générateurs de signaux hautes performances pour étendre sa plage d'amplitude, tandis que l'optimisation du temps de cohérence de spin et de la vitesse de contrôle des micro-ondes élargirait la plage de détection de fréquence de Qdyne."

"L'imagerie simultanée de l'amplitude et de la phase des champs magnétiques alternatifs sur une large gamme de fréquences offre de nombreuses applications potentielles dans les domaines de l'électronique de puissance, des électro-aimants, des mémoires non volatiles et des technologies de spintronique", a déclaré Hatano. "Cela contribue à l'accélération des technologies quantiques, en particulier dans les secteurs liés aux objectifs de développement durable."

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