共价功能化范德华异质结构实现高温单光子发射：二维材料量子光源的重大突破

本综述系统探讨了通过共价功能化与异质结构工程协同提升二维过渡金属硫化物（TMD）单光子发射（SPE）性能的创新策略。研究团队通过硝基苯重氮盐（4-NBD）共价修饰石墨烯/二硒化钨（WSe2）异质结构，成功将高纯度（>90%）单光子发射温度提升至90K以上，突破传统TMD材料30K的温度限制。该工作为量子信息科学提供了兼具确定性定位、高纯度和高温操作的新型量子光源解决方案，展现了分子功能化与异质结构设计在量子发射调控中的巨大潜力。

　　

引言

单光子发射（SPE）作为量子信息技术的核心资源，其固态光源的发展一直面临纯度、亮度、不可区分性及工作温度等多重挑战。二维过渡金属硫化物（TMD）特别是二硒化钨（WSe₂

结果

4-NBD功能化石墨烯/WSe₂异质结构实现90K单光子发射

研究团队创新性地将二维异质结构工程与分子功能化技术相结合。通过将1.6纳米厚石墨烯转移至纳米压痕处理的单层WSe₂上，并采用硝基苯重氮盐（4-NBD）进行共价功能化，成功实现了在90K高温下仍保持90%以上纯度的单光子发射。低温（1.6K）光谱分析显示，功能化后800纳米处的发射强度显著增强，而高能级发射（<780纳米）则被有效抑制。二阶关联函数g⁽²⁾(τ)测量证实了其单光子特性，同时发现功能化使发射寿命从6.48纳秒缩短至3.95纳秒，表明电子结构发生了根本性改变。

对比实验表明，单独功能化的WSe₂在90K时发射完全消失，而异质结构样品仍保持强烈的尖锐发射特征。值得注意的是，高温SPE仅存在于780-820纳米范围内的低能级跃迁，而低能级SPE跃迁具有更高的温度稳定性。石墨烯厚度影响实验进一步显示，较薄石墨烯（1.6纳米）样品可实现115K的SPE操作，而较厚石墨烯（8纳米）样品仅能维持到70-80K。

石墨烯的共价功能化表征

拉曼光谱分析为共价功能化提供了直接证据。1.6纳米石墨烯样品显示出明显的D峰（1350 cm^-1），D/G峰强度比达到20%，表明碳晶格共价键合被打断。而8纳米石墨烯样品则未检测到D峰。理论计算进一步证实，硝苯基（NPh）基团优先共价结合在石墨烯表面而非层间结构，该构型具有更低的能量（低2.62电子伏特）。

控制实验排除了物理吸附的影响：先将WSe₂功能化后再转移石墨烯的样品中，石墨烯完全淬灭了所有发射，无法实现高温SPE。这证明只有石墨烯表面的共价功能化才能产生观测到的高温高纯度SPE现象。

理论建模与机制阐释

密度泛函理论（DFT）计算揭示了共价功能化对能带结构的深刻影响。 pristine石墨烯的狄拉克锥在K点与WSe₂的导带底（CBM）相交，导致CBM失稳。功能化后，石墨烯打开约0.5电子伏特的带隙，位于WSe₂带隙内，避免了能带交叉，稳定了CBM并抑制非辐射复合。

应变在系统中扮演多重角色：不仅激活WSe₂缺陷发射，还红移其带隙，更重要的是增强石墨烯表面的共价功能化程度。纳米压痕的不对称"肩环"结构被认为是SPE的起源位置，该处应变梯度最大，层间耦合和功能化效率最高。

讨论

本研究突破了TMD材料SPE的温度限制，将高纯度SPE的工作温度提升至90K以上，较传统方法提高三倍。与电子束辐照缺陷工程或光学腔集成等方案相比，该方法保持了WSe₂本征缺陷的优势，同时通过能带工程增强缺陷束缚能。

高温下SPE线宽展宽至约5纳米（低温柔2纳米），但纯度仍保持90%以上，表明功能化异质结构有效淬灭了竞争性辐射通道，即使存在声子散射等非辐射过程也不影响光子纯度。这种"纯度-温度"解耦现象在TMD材料中尚属首次报道。

该工作展示了化学功能化与异质结构设计协同调控量子发射的强大能力。通过共价键合改变石墨烯电子结构，使其从单纯的电荷转移介质转变为能参与量子光学过程的活性组分，为二维材料量子光源设计提供了新范式。

实验方法

研究采用化学气相沉积（CVD）和机械剥离法制备单层WSe₂，通过原子力显微镜纳米压痕技术引入应变阵列。石墨烯厚度经AFM精确测定后通过纳米刮涂技术与WSe₂形成紧密接触的异质结构。4-NBD功能化采用5毫摩尔水溶液避光处理90分钟。低温光学测量在1.6-150K温度范围内进行，使用532纳米激光激发，通过Hanbury-Brown-Twiss干涉仪和超导单光子探测器表征SPE特性。DFT计算采用VASP软件包，使用HSE06杂化泛函考虑自旋轨道耦合效应。

结论

通过共价功能化范德华异质结构实现高温单光子发射的工作，展示了分子工程与能带调控相结合在量子光源领域的巨大潜力。该方法不仅显著提升了操作温度，保持了高光子纯度，还为理解二维材料中缺陷量子发射机制提供了新视角。这种基于化学功能化的材料设计策略，为开发下一代量子信息技术所需的稳健、高效、可集成的单光子源开辟了新道路。