二硒化鎢氧間隙是量子光學應用中單光子發射源

與傳統發光二極體同時發射出數十億光子並形成穩定的光子流不同，單光子發射是以單個粒子或光子的形式一次發射光，在單光子發射器(SPEs)在量子光學和量子信息處理中發揮著重要作用。二硒化鎢等二維材料為單光子發射器在半導體等新興量子技術領域中提供更多應用的可能性。

日前，新加坡國立大學物理系的蘇英國教授和研究小組發現，來自二硒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。對二硒化鎢中單光子發射源的了解，與單光子發射其它性質的研究，將有助於利用二維材料開發單光子發射器，提高其發射性能，並發現更多它們在量子應用中的潛在應用。

在研究中，團隊沒有找到密度泛函理論計算二硒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硒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硒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空位是二維二硒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鹵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，在化學氣相澱積（CVD）生長的二維二硒化鎢中不存在W空位。研究人員預測，在二維二硒化鎢中存在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的單光子發射進行了實驗觀測，因此二維二硒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鬥形分布。

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單光子發射的方法，並為實驗人員指出了在二維二硒化鎢中實現單光子發射的其他能量範圍。