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於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陣列」(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)置於規律間隔開來的奈米柱頂部,取得了一連串分佈於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,採用高解析直寫微影製程,先在二氧化矽基底上產生直徑150nm、高度約60nm-190nm的二氧化矽(SiO2)奈米柱,以形成具有4μm間距的陣列。

研究人員採用全乾式黏彈性沉積製程,將二硒化鎢和二硫化鎢單層放置在這種陣列的頂部,打造出能在可見光譜(分別在610-680nm和740-820nm)範圍發射各種波長的數百個QE陣列。

20170531_QE_NT02P1 從分層半導體的量子點所發射的單光子想像圖 (來源:Pawel Latawiec/Harvard University)

研究人員在文中解釋,奈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,通常具有明亮的次奈米線寬發射峰值。增加奈米柱的高度,也降低了在每個奈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奈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,使其得以整合於光子結構中。

研究人員並預測,這種創造量子發射器的新方法並不侷限於特定的分層材料,未來還可以從其他各種2D材料中進行探索。