《Advanced Science》：Insights Into the Nature of Quantum Emitters in Electron-Irradiated Hexagonal Boron Nitride
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六方氮化硼（hBN）中的量子发射体已成为量子技术应用中颇具前景的固态平台。然而，该领域持续存在的挑战在于许多观测到的发射线起源不明，尤其是在可见光范围内，这些发射线可能难以与样品制备和处理过程中由有机物或工艺引入的污染物所产生的信号区分开来。这种模糊性既限制了
六方氮化硼（hBN）中的量子发射体已成为量子技术应用中颇具前景的固态平台。然而，该领域持续存在的挑战在于许多观测到的发射线起源不明，尤其是在可见光范围内，这些发射线可能难以与样品制备和处理过程中由有机物或工艺引入的污染物所产生的信号区分开来。这种模糊性既限制了发射体生成的可重复性，也阻碍了对真正本征量子缺陷的可靠识别。本研究提供了一套循序渐进的评估框架，用以判断电子辐照hBN中的量子发射体是否与样品制备过程中引入的有机污染物相关。研究人员采用高光谱成像、热退火和氧等离子体刻蚀等手段，研究了电子辐照hBN中绿-黄发射体的起源。综合研究结果不仅排除了有机污染物作为发射来源的可能性，还深入揭示了在未经任何预处理或后处理条件下产生的电子辐照hBN发射体的光谱变异性、热稳定性及纵向定位特征。此外，实验证明了在厚度低于10 nm的hBN薄层中制备稳定发射体的可行性。这些发现为量子光子器件中基于hBN的单光子发射体的识别与可控实现提供了实践指导。
六方氮化硼（hBN）量子发射体研究：起源辨析与可控实现
一、研究背景与问题提出
六方氮化硼（hBN）凭借其宽带隙、二维原子级平整结构等独特优势，在可扩展量子技术领域展现出重要应用前景。其室温量子发射体覆盖从近红外到紫外的广泛光谱范围，已应用于温度、压力、应变、电磁场传感以及量子密码学、量子计算和量子随机数生成等领域。然而，hBN基量子发射体的实际部署仍受制于对其微观起源认知的不足以及形成过程可控性的欠缺。
当前领域面临的核心问题在于：许多观测到的发射线起源不明，尤其在可见光范围内。研究表明，若干类有机分子表现出与hBN中单光子发射体（SPEs）极为相似的光物理特性，包括可见光范围发射、纳秒级寿命、显著振动边带以及高单光子纯度。由于hBN宽带隙能抑制非辐射淬灭，该材料可作为此类分子发射体的高效宿主基质。因此，学术界持续争论至少部分报道的发射体是否源自污染物而非本征晶格缺陷。此外，低加速电压电子束辐照已知会诱导来自残余碳氢化合物的碳质膜沉积在样品表面和/或扫描电子显微镜（SEM）腔室内。机械剥离使用的粘合剂胶带可能残留胶渍，聚合物转移工艺也会引入污染，而本研究未进行退火、等离子体或紫外清洗等预处理或后处理步骤。这些因素共同促使研究人员开展系统性研究，以判别电子辐照hBN中绿-黄发射体的真实起源。
二、研究内容与主要结论
针对上述问题，研究人员采用多技术联合策略，对电子辐照hBN中绿-黄发射体的本质进行了系统探究。研究首先通过高光谱成像绘制发射体空间分布及光谱特征图谱，在不同温度下（4.5 K、155 K和室温）考察发射体种类均一性与电子束曝光位置的关联；继而通过惰性环境下的梯度热退火实验，对比分析辐照区与非辐照区发射体的热稳定性差异，以甄别有机污染物贡献；最后通过氧等离子体逐层刻蚀实验，确定发射体在hBN晶体内的纵向分布位置，并评估超薄hBN（厚度低于10 nm）中发射体制备的可行性。
研究得出以下核心结论：第一，电子辐照hBN中产生的绿-黄发射体属于单一类别，其零声子线（ZPL）位于约548.2 nm，声子边带（PSB）位于约570.3 nm（4.5 K），空间上主要局域于辐照区域内，未观察到有机分子典型的光谱能量大范围展宽。第二，热退火实验揭示辐照区与非辐照区发射行为存在本质差异：非辐照区在150 °C以上退火后出现大量热激活发射体，但易光漂白且高温退火后消失，指向污染物起源；而辐照区的绿-黄发射体在高达500 °C退火条件下仍保持稳定发射，无闪烁或漂白现象，光谱特征基本不变。第三，等离子体逐层刻蚀实验表明，发射体并非位于hBN/基底界面，而是分布在hBN晶体内部，且当薄层厚度低于5.2 nm时发射体消失，说明其光学活性强烈依赖周围晶体环境。第四，在初始厚度6.4 nm的hBN薄层中成功制备出稳定发射体，刻蚀至5.2 nm后仍保持单光子纯度。
该研究的重要意义在于：通过系统性的实验证据排除了纯表面吸附物/有机分子污染作为绿-黄量子发射体起源的可能性，提出了本征或晶格束缚缺陷（可能涉及间隙型缺陷）结合局域环境调控的发射机制模型，为hBN基单光子发射体的可靠识别与可控实现在量子光子器件中的应用提供了重要的实验依据和实践指导。论文发表于《Advanced Science》。
三、主要关键技术方法
研究人员主要运用以下核心技术手段：（1）高光谱成像技术，结合共聚焦显微镜与光谱仪，在4.5 K、155 K及室温条件下对电子辐照hBN样品进行逐点光谱扫描，获取完整空间-光谱信息；（2）梯度热退火处理，在氩气（Ar）惰性环境中对样品进行30分钟逐步升温退火（50 °C至500 °C以上），通过管式炉系统实现；（3）氧等离子体逐层刻蚀技术，采用低功率射频氧等离子体系统对hBN薄层进行多轮次20秒刻蚀，结合原子力显微镜（AFM）监测厚度变化，实现发射体纵向定位；（4）共聚焦光致发光（PL）寿命成像与二阶自相关函数g?2?(τ)测量，用于表征发射体的光物理特性和单光子纯度。样品为机械剥离的hBN薄片，经3 kV加速电压、7.7×101? cm?2注量电子束辐照制备发射体，未经任何预处理或后处理。
四、研究结果
2.1 电子辐照hBN的高光谱成像分析
研究人员对5×5 μm2辐照区域进行高光谱成像，结合AFM高度测量和低能SEM成像确认电子束诱导碳质膜沉积。不同温度下的高光谱图像显示，辐照区内发射体空间局域化分布。对ZPL和PSB发射峰进行统计拟合分析（分别采用洛伦兹和高斯函数），结果表明该材料中存在单一类别发射体，其ZPL在4.5 K时中心位于548.2 nm，PSB位于570.3 nm；随温度升高，谱峰出现红移和展宽，符合带隙随温度收窄的一般规律。ZPL发射变异性约为±1 nm，PSB峰形随空间位置略有变化，部分位置出现声子模式分裂现象，研究人员推测与局域环境中不同声子模式的主导有关。电子-声子耦合强度在不同发射体间存在差异，影响其在高温下的可观测性。在整个532–600 nm光谱窗口内，未观察到其他明显不同的发射体种类。值得注意的是，即使在仅通过PSB收集发射的条件下，室温下发射体仍保持高单光子纯度。高光谱成像验证了电子辐照hBN中单一类别发射体的产生，且发射体主要局域于辐照区域，未观察到有机分子和其他报道的hBN发射体中常见的大范围发射能量和光谱形状变异性。
2.2 电子辐照hBN的热稳定性与污染物效应分析
研究人员在Ar惰性环境中对含有绿-黄发射体的电子辐照hBN进行梯度温度退火处理，并在每次退火冷却至室温后记录发射体的光物理特征。50 °C时，辐照区域内观测到多个PL寿命超过3 ns的绿-黄发射体，辐照区外几乎没有荧光。退火温度升至150 °C以上后，非辐照区均匀出现高密度热激活发射体，但辐照区内其密度受到强烈抑制。这些热激活发射体寿命相对较长，发射光谱宽泛，在持续激光激发下发生光漂白，并在高温退火后消失——这些特征指向污染物起源。相比之下，辐照区内的绿-黄发射体在高达500 °C退火温度范围内光谱特征保持不变，无闪烁或漂白现象。退火过程中观测到总寿命和发射强度的逐渐下降，可能源自额外非辐射复合通道的激活。同时，退火后峰位出现约1 nm的红移，可能与局域环境变化或应变改变有关。发射体在500 °C以上退火后不再可探测，可能与量子效率显著降低有关。值得注意的是，辐照区内的衍射极限绿-黄发射体在500 °C前始终保持存在，并非逐步消失。若污染物占主导，则应观察到更宽泛的热响应分布，而实际上整个薄层内的发射体在光谱特征和寿命方面表现相对均一。这些观测表明，发射体的缺陷结构在500 °C退火条件下保持完整，而复合动力学受到显著影响；样品中并非完全无污染，但热激活污染荧光与稳定的绿-黄发射体之间存在明确区分，支持后者具有非污染起源，同时电子束辐照还具有抑制不期望背景发射的额外优势。
2.3 绿-黄发射体的纵向定位分析
研究人员采用氧等离子体对含绿-黄发射体的电子辐照hBN薄层进行逐层刻蚀，在每个刻蚀步骤后追踪发射体数量与位置。氧等离子体自身可在hBN中激活新的发光缺陷，因此通过关联刻蚀前后的共聚焦PL图谱来区分预先存在的发射体和等离子体诱导产生的发射体。经过第一轮20秒刻蚀后出现若干新发射体；再经过20秒刻蚀后，部分绿-黄发射体在光学测量中出现不稳定和光漂白现象，表明上层hBN的去除并未使发射体物理移除，而是强烈影响了其稳定性，这与此前其他hBN量子发射体的报道一致，即发射体稳定性强烈依赖周围晶体环境。在初始厚度6.4 nm的hBN薄层中，研究人员观测到稳定的绿-黄发射体；当进一步刻蚀至5.2 nm时，同一发射体仍保持单光子纯度发射，虽信号较弱。此外还观察到远离辐照点的发射体，但需进一步研究。若发射体位于hBN/基底界面，则应不依赖hBN薄层厚度而持续存在；然而在薄于5.2 nm的样品中未发现绿-黄发射体，且薄层较厚区域在进一步刻蚀后发射体仍然存在。综合结果表明，绿-黄发射体并非仅位于hBN/基底界面，而是分布在hBN晶体内部，同时其光学特性受周围环境影响显著。
五、讨论与结论总结
讨论部分对有机发射体与绿-黄hBN发射体的关键性质进行了系统比较。发射体与电子束辐照位置的强烈空间关联意味着任何污染相关机制也需依赖电子束诱导；但已有研究表明类似辐照条件在GaN、SiC和云母等其他宽带隙材料中不产生类似发射体，反驳了通用污染路径的假设。高光谱映射揭示了明确且狭窄的光谱分布，与污染相关的宽泛发射特征形成对比；未观察到有机发射体常见的光谱漂移或发射能量宽分布。空间上，发射体局域于辐照区域而非薄层边缘。等离子体刻蚀实验中，发射体在去除多个顶层hBN后依然存在，难以用纯表面束缚污染物解释。退火实验中光谱和寿命测量的均一性也不支持具有不同热稳定性和结合环境的独立污染物分布预期。研究人员推测了两种可能的机制：其一，发射体可能与间隙型缺陷相关，这类缺陷在较低温度下即可迁移；其二，发射体可能是面内缺陷，其辐射效率强烈受局域环境影响。
研究结论明确指出：实验证据综合排除了纯表面吸附物/有机分子污染作为hBN中绿-黄量子发射体起源的可能性。发射体在电子束辐照区域高密度生成，在薄至6.4 nm的薄层中可制备，进一步减薄至5.2 nm后仍保持稳定的单光子发射，展现了与纳米级和近场光子平台的兼容性。室温下发射以PSB为主，表明与环境存在强耦合。发射体在500 °C以下保持稳定光谱特征且无闪烁或漂白，但在更高温度下对热处理的敏感性凸显了局域环境的重要调控作用，暗示了集成光子系统中局部加热传感的应用潜力。然而，间隙原子贡献的可能性或对SEM诱导碳质沉积的依赖性尚不能完全排除，未来实验可通过施加面内和面外电场探测偶极取向，以及系统控制和减少SEM腔室内的碳氢化合物暴露来进一步阐明这些效应。
