科學家發現單層二烯化鎢(WSe2)中的氧間隙使其能夠作為單光子發射器(SPEs)用於量子光學應用。近年來，人們在實驗中發現了具有原子薄蜂窩狀晶格的二維(2-D)材料。spe以單個粒子或光子的形式一次發射光，在量子光學和量子信息處理中發揮著重要作用。spe採用二烯化鎢等二維材料開發，為半導體制造環境中的潛在器件和電路集成提供了靈活性。然而，二烯化鎢中這些實驗發現的spe的性質並不清楚，這阻礙了它們在量子應用中的潛在應用，新加坡國立大學物理系的蘇英國教授和研究小組已經確定：
來自二烯化鎢局域激子態的單光子發射，是由於存在於單層二維材料中的氧間隙造成。研究小組結合了理論計算和實驗方法來得出結果。隨著對單光子發射源的進一步瞭解，這一發現將有助於利用二維材料開發spe，並提高其發射性能。在研究中，團隊沒有找到密度泛函理論計算二烯化鎢材料固有點缺陷，與通過掃描隧道光譜獲得光譜之間的相關性，然後將重點放在與二烯化鎢材料相關的氧相關的點缺陷上。這些缺陷可以在合成過程中或通過環境鈍化很容易地嵌入到材料中。
通過消除過程，發現晶格中與氧間隙有關的缺陷最有可能在實驗觀測到光譜位置產生局域激子態。這項研究對單分子層二烯化鎢中的點缺陷進行了詳細研究，並預測了這些缺陷位置上激子的性質和能量。破譯單光子發射器的起源，將有助於利用其他二維材料開發量子光學應用的量子發射器。識別二維材料中的點缺陷對許多應用都很重要，近年來的研究表明，W空位是二維二烯化鎢中最主要的點缺陷，而理論研究預測。硫族空位是過渡金屬雙滷代半導體中最可能存在的固有點缺陷。
研究使用第一性原理計算、掃描隧道顯微鏡(STM)和掃描透射電鏡實驗表明，在cvd生長的二維二烯化鎢中不存在W空位。研究人員預測，在二維二烯化鎢中存在O鈍化的硒空位(OSe)和O間質(Oins)，這可能是由於硒空位上容易發生O2離解，或者是由於在CVD生長中存在WO3前體。這些缺陷使STM圖像與實驗結果吻合較好。由於對二維WSe2的單光子發射(SPE)進行了實驗觀測，因此二維二烯化鎢中點缺陷的光學性質十分重要。應變梯度使激子在真實空間中漏斗形分佈。
而點缺陷是激子在長度尺度上定位的必要條件，使光子能夠一次發射一個。利用最新的gwt - bethe - salpeter方程計算，預測在之前的實驗中，只有Oins缺陷才會在SPE的能量範圍內產生局域激子，這使得它們很可能是之前觀測到的SPE的來源。沒有其它點缺陷(OSe、Se空位、W空位和SeW反位)在相同的能量範圍內產生局域激子。研究預測提出了在相關二維材料中實現SPE的方法，併為實驗人員指出了在二維二烯化鎢中實現SPE的其他能量範圍。
博科園｜研究/來自：新加坡國立大學
參考期刊《ACS Nano》
DOI: 10.1021/acsnano.9b02316
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