仪器情报，科学家成功实现二维异质结横向限制的重大进展！

【科学背景】

二维（2D）半导体因其固有的面外二维限制性而成为光电子应用和量子信息处理的研究热点，然而，它们缺乏横向限制，限制了其在量子应用中的潜力。二维晶体中激子波函数的横向限制不足，阻碍了这些材料在开发高效量子光学器件中的应用。尽管已经有大量关于二维晶体中点缺陷和局部应变单光子发射的报道，但确定性定位单个缺陷和实现均匀的发射波长仍然是该领域的重大挑战。此外，通过物理塑造成量子点的方法来实现单个激子的限制，虽然展示了显著的蓝移特性，但其暴露的一维边缘导致了氧化和其他化学反应，影响了辐射复合率并导致电子态分布广泛。

有鉴于此，美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系Deep Jariwala教授的研究团队提出了通过成分控制的面内二维量子异质结构来实现激子的横向限制。作者使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法，成功生长了嵌入在WSe2基质中的MoSe2量子点，通过顺序外延生长工艺，实现了超洁净的界面。

通过控制反应时间，作者能够将MoSe2量子点的尺寸控制在15-60纳米范围内，展示了尺寸依赖的激子限制特性。作者的光谱测量表明，这些量子点在低温下展示了显著的蓝移发射，与连续的MoSe2单层相比，蓝移在12-40毫电子伏之间。此外，作者的结构在低至1.6K的温度下展示了单光子发射，单光子纯度为g2(0) = ~ 0.4。

【科学亮点】

（1）实验首次通过成分控制的面内二维量子异质结构实现了MoSe2量子点在WSe2基质中的激子横向限制，得到了显著蓝移的量子限制发射。

（2）实验通过顺序外延生长工艺，在WSe2单层薄膜内嵌入宽约15-60纳米的MoSe2量子点，得到了尺寸依赖的激子限制效应。光谱测量显示，与纯二维单层MoSe2相比，MoSe2单层量子点在低温下激子蓝移（12-40毫电子伏）。

（3）此外，通过静电栅极调控，实现了量子点嵌入WSe2矩阵中的发射波长和强度的主动调节。低温条件下，最小量子点表现出约0.6纳米的光谱线宽和单光子纯度（g2(0) ~ 0.4）。

【科学图文】

图1：面内MoSe2量子点@WSe2的顺序外延生长。

图2：嵌入WSe2矩阵中的MoSe2量子点的纳米尺度光学和电学成像。

图3：嵌入WSe2矩阵中的MoSe2量子点的激子限制。

图4：量子异质结构中的低温光致发光测量和单光子发射。

【科学结论】

本文展示了通过成分控制的面内二维量子异质结构，实现激子横向限制的突破性进展。这项研究揭示了嵌入WSe2矩阵中的MoSe2量子点具有明显蓝移的量子限制发射，相对于纯二维单层MoSe2的主要中性激子，表现出显著的光学特性变化。通过调节量子点的尺寸和静电栅极，能够被动或主动调节发射的波长和强度，这为二维量子点的应用提供了新的控制手段。本文的科学在于：1) 通过精确控制量子点的尺寸和嵌入基体材料，实现了二维材料中激子横向限制的调节；2) 这为未来高保真量子光源的发展奠定了基础，特别是在光学和电子性能的调节方面提供了新的思路；3) 为进一步研究和开发可调谐的量子光源铺平了道路，提出了未来工作应集中在空间位置、密度和成分的精确控制。这些发现不仅丰富了二维材料的物理理解，也为高效量子光子器件的设计提供了重要的科学依据。

原文详情：Kim, G., Huet, B., Stevens, C.E. et al. Confinement of excited states in two-dimensional, in-plane, quantum heterostructures. Nat Commun 15, 6361 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50653-x