碳掺杂氮化硼薄膜实现室温高纯度单光子发射的突破性研究

研究人员针对h-BN（六方氮化硼）单光子发射器（SPE）纯度低、稳定性差等问题，通过脉冲激光沉积（PLD）技术直接生长碳掺杂厘米级h-BN薄膜，实现了室温下g(2)(0)低至0.015、亮度达46.6万cps的高性能SPE，为量子通信和计算提供了稳定光源。

　　

在量子技术飞速发展的今天，单光子发射器（SPE）作为量子通信、计算和传感的核心组件，其性能直接决定了系统的可靠性。然而，现有SPE材料普遍面临室温下纯度不足、亮度低和稳定性差等挑战。六方氮化硼（h-BN）因其宽禁带（~6 eV）和优异的热化学稳定性成为理想宿主材料，但传统制备方法如化学气相沉积（CVD）或机械剥离存在工艺复杂、缺陷不可控等问题，导致SPE性能难以满足应用需求。

为解决这一难题，中国科学院等机构的研究团队创新性地采用脉冲激光沉积（PLD）技术，在750°C低温下直接生长碳掺杂的厘米级h-BN薄膜。通过原位掺杂和低温合成，成功实现了室温下纯度达98.5%（g⁽²⁾(0)=0.015）、亮度0.466百万cps且无光谱漂移的SPE，其性能远超以往报道。相关成果发表于《SCIENCE ADVANCES》，为规模化制备高性能量子光源提供了新范式。

关键技术方法
研究结合PLD薄膜生长、X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）表征材料结构，通过共聚焦显微系统测量光致发光（PL）谱和二阶关联函数g⁽²⁾(τ)，并利用第一性原理计算筛选缺陷构型。样本为PLD生长的32 nm厚碳掺杂h-BN薄膜。

研究结果
1. 薄膜合成与表征
PLD生长的碳掺杂h-BN薄膜表面粗糙度<1 nm，XPS证实碳原子成功替代晶格中的硼和氮（B-C/N-C键）。拉曼光谱显示E_2g声子模红移1.1 cm^-1，表明碳缺陷的引入。

2. 光物理特性
SPE在580.3 nm处呈现窄零声子线（ZPL，半高宽3 nm），声子边带与纵向光学（LO）声子耦合，Debye-Waller因子达45%。g⁽²⁾(0)=0.015创室温h-BN-SPE纯度纪录，激发态寿命5.4 ns，且无光漂白现象。

3. 偏振与稳定性
发射呈线性偏振（偏振度90%），符合单偶极子特征。连续激发15分钟无光谱漂移，亮度在216.4 μW功率下饱和。

4. 缺陷理论计算
第一性原理计算揭示C_BC_NC_B（CBC）三聚体是主导缺陷，其GW-BSE计算的ZPL能量（2.11 eV）与实验（2.136 eV）高度吻合，且低温PLD合成更利于该构型形成。

结论与意义
该研究通过PLD技术突破性实现了高纯度、高稳定性SPE的规模化制备，理论计算明确了碳三聚体缺陷的发光机制。相比传统方法，PLD的低温合成和原位掺杂优势为精准调控缺陷提供了新途径。此项工作不仅推动了h-BN基量子光源的实际应用，其“缺陷工程”策略还可拓展至其他宽禁带材料体系，为量子光学器件的设计奠定基础。