研究人員從2D材料中精確定位量子光源發射器

原子薄層的過渡金屬硫族化合物(如二硒化鎢或二硫化鎢)據說能發射單個光子，不過卻是從隨機的位置發射，因而使得實際的光源發射研究相當困難，無法確切掌握從何處尋找量子發射器(QE)。

到目前為止，量子發射器主要應用于定位缺陷和應變梯度，但大多都是不可預測的。

英國劍橋大學(University of Cambridge)和哈佛大學的研究人員最近在《自然通訊》(Nature Communications)期刊中發表“原子薄層半導體中的大規模量子發射器數組”(Large-scale quantum-emitter arrays in atomically thin semiconductors)研究，展示如何透過調諧這種2D材料的形貌，準確定位單光子的光源。

研究人員在文中介紹如何透過將活性材料(剝離的WSe2或WS2單層)置于規律間隔開來的納米柱頂部，取得了一連串分布于單層上的帳篷形尖峰，形成從單光子發射的局部實體擾動。

接著，采用高解析直寫微影工藝，先在二氧化硅基底上產生直徑150nm、高度約60nm-190nm的二氧化硅(SiO2)納米柱，以形成具有4μm間距的數組。

研究人員采用全干式黏彈性沉積工藝，將二硒化鎢和二硫化鎢單層放置在這種數組的頂部，打造出能在可見光譜(分別在610-680nm和740-820nm)范圍發射各種波長的數百個QE數組。

從分層半導體的量子點所發射的單光子想象圖 （來源：Pawel Latawiec/Harvard University）

研究人員在文中解釋，納米柱在材料中產生局部變形，導致了激子的量子限制。透過研究人員的方式能讓發射器以光子結構的方式放置，例如以可調整的方式實現光波導等需要精確和準確的定位應用。

他們還發現這些量子發射器比其隨機發射的方式更具有光譜穩定性，通常具有明亮的次納米線寬發射峰值。增加納米柱的高度，也降低了在每個納米柱位置處出現峰值的數量，導致研究人員作出這樣的結論：QE的光發射能夠經由改變基礎納米結構的形狀加以調整。在此情況下，研究人員推斷MEMS或壓電調諧可望動態調整QE，使其得以整合于光子結構中。

研究人員并預測，這種創造量子發射器的新方法并不局限于特定的分層材料，未來還可以從其他各種2D材料中進行探索。

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