【科技前沿】第27期：二维材料量子缺陷的配对机制及其性能调控

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近日，我校材料科学与工程学院、广西信息材料重点实验室、广西新能源材料结构与性能协同创新中心黄鹏儒副教授研究团队（第一作者）联合新加坡国立大学Konstantin Novoselov 教授（2010年诺贝尔物理学奖获得者）、Maciej Koperski教授及日本国立材料研究所的Kenji Watanabe 、Takashi Taniguchi教授等的研究成果“Carbon and vacancy centers in hexagonal boron nitride”，于2022年7月21日在线发表在物理学国际权威期刊《Physical Review B》（Phys. Rev. B 106, 014107，2022）。该成果深入揭示了二维六方碳化硼（hBN）中基于碳掺杂和空位缺陷的单光子发射中心的配对机制及性能调控机理。

基于半导体点缺陷的单光子发射中心，具有优异的光学及电学性质，已经被报道用于量子计算、量子通讯及计量相关器件的开发，是目前除了超导电路、量子点、陷阱离子等之外开发量子计算机量子比特的最具竞争力的方案之一。近几年在六方氮化硼、WSe2等二维半导体材料中发现单光子发射中心的报道更使得研究人员对于二维半导体缺陷的研究热情进一步提升，并开辟了新的研究领域。维度上的降低使得二维材料中的点缺陷相比于三维材料缺陷（例如金刚石的NV中心）具有更高的可操控性，且容易与具有其他功能的二维材料集成构建具有新奇性能的器件。

在原子尺度上对于二维材料点缺陷的有效识别、操控与性能调控是发展相关量子计算和量子信息器件所面临的重要挑战。相关领域对于六方碳化硼中单光子发射中心的原子结构一直存在很大争议，且如何获得优异性能的单光子发射中心仍然缺乏理论依据。本研究一方面基于长期的实验发现，在碳原子掺杂的六方碳化硼样品中，有的能够形成单光子发射中心，相应的量子态及谱线具有很好的单色性，但有些样品相对无序且谱线有很大的展宽（图1）。另一方面，基于密度泛函理论第一性原理计算，对六方碳化硼中一系列的碳掺杂、空位缺陷进行分类，并对其稳定性、电子结构进行深入地分析揭示了一种缺陷的配对机制。即缺陷之间电子的配对可以驱使具有施主缺陷态和受主缺陷态的缺陷进行复合，形成稳定的、具有共振跃迁缺陷态的单光子发射中心。相应的荧光跃迁由缺陷态与价带或导带之间的跃迁，转变成带隙内部缺陷态之间的共振跃迁，单色性和相干性获得显著提升（图2）。上述研究能够为实验上制备基于半导体缺陷的单光子发射中心，开发新一代的量子计算、通讯及计量器件提供深层次的指导。