二硒化钨氧间隙是量子光学应用中单光子发射源

与传统发光二极管同时发射出数十亿光子并形成稳定的光子流不同，单光子发射是以单个粒子或光子的形式一次发射光，在单光子发射器(SPEs)在量子光学和量子信息处理中发挥着重要作用。二硒化钨等二维材料为单光子发射器在半导体等新兴量子技术领域中提供更多应用的可能性。

日前，新加坡国立大学物理系的苏英国教授和研究小组发现，来自二硒化钨局域激子态的单光子发射，是由于存在于单层二维材料中的氧间隙造成。对二硒化钨中单光子发射源的了解，与单光子发射其它性质的研究，将有助于利用二维材料开发单光子发射器，提高其发射性能，并发现更多它们在量子应用中的潜在应用。

在研究中，团队没有找到密度泛函理论计算二硒化钨材料固有点缺陷，与通过扫描隧道光谱获得光谱之间的相关性，然后将重点放在与二硒化钨材料相关的氧相关的点缺陷上。这些缺陷可以在合成过程中或通过环境钝化很容易地嵌入到材料中。

通过消除过程，发现晶格中与氧间隙有关的缺陷最有可能在实验观测到光谱位置产生局域激子态。这项研究对单分子层二硒化钨中的点缺陷进行了详细研究，并预测了这些缺陷位置上激子的性质和能量。破译单光子发射器的起源，将有助于利用其他二维材料开发量子光学应用的量子发射器。识别二维材料中的点缺陷对许多应用都很重要，近年来的研究表明，W空位是二维二硒化钨中最主要的点缺陷，而理论研究预测，硫族空位是过渡金属双卤代半导体中最可能存在的固有点缺陷。

研究使用第一性原理计算、扫描隧道显微镜(STM)和扫描透射电镜实验表明，在化学气相淀积（CVD）生长的二维二硒化钨中不存在W空位。研究人员预测，在二维二硒化钨中存在O钝化的硒空位(OSe)和O间质(Oins)，这可能是由于硒空位上容易发生O2离解，或者是由于在CVD生长中存在WO3前体。这些缺陷使STM图像与实验结果吻合较好。由于对二维WSe2的单光子发射进行了实验观测，因此二维二硒化钨中点缺陷的光学性质十分重要。应变梯度使激子在真实空间中漏斗形分布。

而点缺陷是激子在长度尺度上定位的必要条件，使光子能够一次发射一个。利用最新的gwt - bethe - salpeter方程计算，预测在之前的实验中，只有Oins缺陷才会在SPE的能量范围内产生局域激子，这使得它们很可能是之前观测到的SPE的来源。没有其它点缺陷(OSe、Se空位、W空位和SeW反位)在相同的能量范围内产生局域激子。研究预测提出了在相关二维材料中实现单光子发射的方法，并为实验人员指出了在二维二硒化钨中实现单光子发射的其他能量范围。

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