南开新闻网讯（通讯员 程丹）单色性好、亮度高及稳定性优秀的单光子源是实现光学量子计算和量子通信的重要前提。近年来，在WSe₂、WS₂和MoTe₂等2D-TMD材料中发现了单光子发射现象，为提高单光子发射器的性能提供了新的途径。然而，到目前为止，同时具有高亮度、高稳定性和优秀单色性的单光子源尚未能实现，限制了二维半导体单光子源在量子计算和量子通信中的应用。

　　目前基于2D材料的单光子发射器，都是通过将二维半导体覆盖在纳米柱状的阵列上构成，其结构简单易于制造，但却存在一些难以克服的困难。如二维半导体和纳米柱无法紧密贴合，造成二维半导体在纳米柱上的极大应变点不唯一，诱导的单光子源会出现闪烁和波长不唯一（通常在一个波段随机出现数个到数十个波长峰位），造成单光子源单色性和稳定性都很差。此外，这种无法紧密贴合使得二维材料的应变量十分有限，导致了单光子源的强度不高。因此，单色性好、纯度高及稳定性高的单光子源是当前需要克服的难点之一。

　　褶皱应变作为二维半导体的应变方式，具有高灵敏、低成本、应变集中等特点，有望为基于应变诱导的二维半导体单光子源的构筑提供新的途径。然而，褶皱应变具有的取向随机性，会造成二维材料单光子源的不可寻址性及难以集成性，致使基于应变的二维材料单光子源在大面积、阵列化量子器件的制备上存在巨大困难。

　　近日，南开大学、国家纳米科学中心、北京化工大学和南洋理工大学等单位的研究团队通过合作在二维半导体应变诱导单光子源的研究上取得重要进展，成果以“Realization of single photon emitters with high brightness and high stability and excellent monochromaticity”为题发表在《Matter》上，他们实现了激光诱导的二维半导体的大面积、阵列化纳米应变结构的可控制备。

　　该工作使用“自上而下”的技术可寻址性地设计单光子发射的位置，并利用“自下而上”的方法生长，通过“自上而下”和“自下而上”技术的结合，实现了精准可控的二维材料局域大应变，建立了一种多级次、有序褶皱应变结构的制备新方法。通过精确设计褶皱应变结构的空间分布和应变梯度，获得了单层WSe₂的局部大应变（4%-5%）和单一最大应变点并消除了二维半导体与底层之间的随机滑移，实现了单光子源同时具有高亮度（饱和计数达2×10⁶ counts/s）、高稳定性和优异的单色性（单色发射概率约为70%）。该研究为基于应变工程的高性能单光子源设计和调控及可寻址组装提供了理论依据和实践验证。

图：论文报道的WSe₂有序褶皱单元（纳米鼓包）的生长和单光子表征示意图

图：论文报道的WSe₂纳米鼓包单光子发射器的光学表征

　　本工作以南开大学为第一完成单位，南开大学博士生陈胜垚、北京化工大学副教授王聪、南洋理工大学博士后蔡洪冰为论文共同第一作者。论文通讯作者为国家纳米科学中心刘前研究员，他同时是南开大学兼职教授，和张心正教授、许京军教授在纳米光子学领域有长期的合作关系。北京大学王新强教授，国家纳米科学中心刘新风研究员在器件制备以及单光子源性能测试等方面也给予了支持和帮助。该工作得到了国家重点研发计划纳米科技重点专项以及中国科学院战略性先导科技专项、国家基金委、欧盟项目、中央高校基本科研经费、新加坡量子工程项目的支持。

　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.12.026

编辑：韦承金