莱斯大学黄声希教授团队Science Advances：室温条件下碳掺杂氮化硼薄膜的高纯度单光子发射

研究背景

固态单光子发射源（SPEs）是推动量子技术发展的核心元件，在安全通信、量子优势计算及精密测量等领域具有不可替代的作用。六方氮化硼（h-BN）作为新型单光子宿主材料近期备受关注，其室温下的高亮度偏振单光子发射特性已得到实验验证。与窄带隙半导体中源于浅层缺陷和应变的单光子源不同，h-BN中的发射源主要与晶格缺陷相关——包括反位缺陷、替位原子、空位或其复合体，这些缺陷的电子能级深居于其宽达~6 eV的带隙之中。此外，h-BN卓越的化学稳定性和热稳定性保障了单光子源的长期稳定运行。目前h-BN原子缺陷的制备策略主要包括：离子辐照、聚焦离子束处理、等离子体处理以及飞秒激光烧蚀等。虽然这些技术能有效制备h-BN单光子源，但仍面临发射光谱分布过宽（1.6至2.2 eV）、发射源密度低、单光子纯度不足、稳定性差及亮度低等挑战。

目前，大多数研究集中于通过机械剥离或化学气相沉积（CVD）制备的h-BN材料。虽然剥离法作为一种简单高效的制备手段能获得优异晶体质量，但其大规模制备仍存在重大挑战，这严重制约了大规模量子光子器件架构的发展。近年来，CVD技术已成为实现单光子源大规模制备的主流方案。然而，CVD工艺通常需要苛刻的生长条件——包括高温反应环境、漫长生长期以及硼嗪等有毒原料及其副产物的使用，这不仅增加了实验难度，更引发安全隐患。此外，CVD生长的h-BN薄膜往往还需通过空气环境高温退火、紫外臭氧处理等后处理工艺来提升单光子源纯度。相较于CVD，物理气相沉积（PVD）作为一种替代方案，可在高真空和较低温度下通过纯物理方法制备大面积薄膜。在众多PVD技术中，脉冲激光沉积（PLD）已成功用于h-BN的大规模合成。该技术具有生长速率快、厚度形貌精确可控、生长温度低等优势。除实现薄膜大规模生长外，PLD还能实现原位掺杂，这一特性对于在材料中创建单一纯净的缺陷至关重要，可有效解决单光子源在亮度、稳定性和纯度等方面的核心难题。但迄今为止，PLD技术尚未在h-BN单光子源制备领域获得实际应用。

成果介绍

有鉴于此，近日，RICE大学Shengxi Huang教授团队提出一种通过脉冲激光沉积（PLD）技术直接制备出厘米级的大面积高质量h-BN薄膜，其承载的单光子发射源（SPEs）展现出卓越的纯度、亮度和光稳定性。通过独特的PLD合成与原位掺杂工艺，本研究实现了室温h-BN单光子源98.5%的纯度（迄今所有制备方法中的最高记录），同时获得连续激发15分钟无光谱漂移的优异稳定性，以及46.6万计数/秒的饱和发射速率。这些突破性性能使该单光子源在量子应用中具有显著优势。第一性原理计算揭示了相关缺陷的本质：实验观测到的卓越性能源于特殊的碳替位复合缺陷，其光学特性超越多数已知缺陷类型。这种缺陷结构在低温合成条件下易于形成，这正是PLD技术的独特优势。该研究成功制备出综合性能突破的h-BN单光子源，在纯度、稳定性、亮度及德拜-沃勒因子等关键指标上均创下纪录。更重要的是，这种可扩展的样品体系为大规模片上集成系统提供了可能，标志着量子技术的重大进步。这一理论分析与机理认知，将为未来高质量量子发射源与材料的制备奠定科学基础。

图文导读

图1. 薄膜的合成与表征。（A）采用脉冲激光沉积技术（PLD）制备碳掺杂六方氮化硼（h-BN）薄膜的示意图。（B）激光烧蚀1原子百分比（at.%）碳掺杂h-BN靶材时产生的实时等离子体羽流（上图），蓝宝石衬底上厘米级薄膜的光学照片（左下图）以及薄膜的原子力显微镜（AFM）图像（右下图）。（C）至（E）分别为碳掺杂h-BN薄膜的X射线光电子能谱（XPS）：（C）B_1s、（D）N_1s和（E）C _1s核心能级谱，图中清晰显示出B-N、B-C和N-C的特征峰。（F）原始（黑色实心圆点）与碳掺杂h-BN（红色实心圆点）薄膜的拉曼光谱，其中实线为对实验数据的拟合曲线。

图2. 缺陷的光物理特性。(A) 使用35 μW连续波532-nm激光激发的发射源室温光致发光(PL)光谱。573.8-nm附近的黑色星号(*)表示拉曼散射峰，插图为PL二维扫描成像，其中黑色圆圈标注了目标发射源位置。比例尺：4 μm。(B) 使用35 μW、重复频率40 MHz、脉宽96 ps的515-nm脉冲激光测量的二阶自相关函数g⁽²⁾(τ)(未经背景校正)。黑色实线为实验数据拟合曲线，显示g⁽²⁾(0)=0.015。(C) 长时间尺度测量的二阶自相关函数g⁽²⁾(τ)，呈现光子聚束效应。相应实线为实验数据拟合曲线。a.u.表示任意单位。

图3. 其他发射源光学特性及SPEs统计分布。(A) 多个发射源的室温光致发光(PL)光谱。(B)-(D) 分别对应发射源2、3和4的二阶自相关函数g⁽²⁾(τ)测量结果（实验条件：35 μW、515- nm脉冲激光，重复频率40 MHz，脉宽96 ps，未经背景校正）。(E) 观测单光子源在35 μW、515-nm脉冲激光激发下的g⁽²⁾(0)值散点分布图。(F) 观测单光子源的零声子线(ZPL)能量分布统计图。

图4. SPEs的偏振特性、亮度及稳定性表征。（A）偏振分辨PL光谱显示发射源的偏振特性，插图为激发（红色实心圆点）与发射（灰色实心圆点）偏振曲线，实线为基于cos²θ函数的拟合结果。（B）背景校正后的发射速率随激光功率（515-nm脉冲激发）变化关系，作为对比同时显示背景发射速率，实线为实验数据拟合曲线。（C）在35 μW（532-nm连续波）激发功率和10 s积分时间条件下进行的PL光谱稳定性测试，插图显示放大区域未见光谱漂移。（D）以100-ms时间分辨率、35 μW，515-nm脉冲激光激发的发射源计数率随时间变化曲线，展现出无闪烁的优异光稳定性。

图5. SPEs的第一性原理计算。（A）针对实验观测ZPL能量±0.75 eV范围内具有偏振吸收峰的缺陷体系，采用HSE06-IPA方法计算的吸收光谱。各缺陷结构图示与对应理论光谱并列呈现，黑色虚线标记实验测得的ZPL能量位置。（B）和（C）分别通过HSE06方法计算两种形成机制的生成焓：（B）掺杂原子-掺杂原子复合路径与（C）掺杂原子-空位复合路径的对比研究，其中（B）为硼空位体系，（C）为氮空位体系。（D）两种碳三聚体（CBC与CNC）吉布斯自由能差随温度变化关系，正值表示CBC相更稳定，负值则对应CNC相更稳定。黑色与红色虚线分别指示相变临界温度与本实验生长温度。（E）左图：CBC缺陷的G₀W₀-BSE计算吸收光谱（红色竖线表示振子强度）；右图：该缺陷的理论PL光谱（红色）与实验数据（深蓝色）对比。所有光谱图中（A）的HSE06-IPA与（E）的G₀W₀-BSE结果均以实色线表示x轴偏振，虚色线表示y轴偏振。

结论与展望

综上所述，此研究开发了一种利用脉冲激光沉积（PLD）技术在厘米级h-BN薄膜中制备碳相关缺陷的方法。这些缺陷作为单光子发射源（SPEs）展现出优异的性能指标，包括创纪录的高纯度、发光稳定性、亮度及偏振特性，这些特性对单光子源的实际应用至关重要。发射源在（575±15）nm波长处呈现显著的特征发射峰，表明体系中倾向于形成特定的缺陷结构。通过系统的第一性原理计算，确定了CBCNCB型三聚体缺陷能够合理解释实验观测结果——该缺陷不仅具有优于多数其他缺陷的光学特性，而且得益于PLD方法的低温合成优势，其形成在热力学上更为有利。本研究开发的高性能单光子源在量子技术领域展现出广阔应用前景，同时所发展的合成方法为量子发射源制备提供了高效可靠的解决方案。研究的理论计算与分析结果不仅揭示了微观机理，更为未来量子光学发射的优化与量子材料合成技术的进步提供了重要的理论指导和设计原则。