局部液滴刻蚀技术，制备更对称的量子点

基于光的量子技术，例如量子通信与光量子计算，需要可靠的单光子源，理想情况下还需要纠缠光子对源。半导体量子点是实现这一目标的极具潜力的候选材料。这类纳米结构的导电性介于绝缘体和导体之间，能够将电子与空穴限制在其中。这一特性使其在激光激发下，以精确确定的频率发光。

然而，传统制备方法存在显著局限，包括量子点密度过高，难以分离出单个发光单元；结构不对称会破坏纠缠特性；发光寿命相对较长；以及会降低光质量的电子 “噪声”。当前的挑战是制备出对称性更高、发光更快、性能更可控，且发光波长更适配集成光电子器件的量子点。

国际团队的新型量子点设计

一项国际合作研究展示了一种制备半导体量子点的新策略，所制量子点可在更长波长下发光，同时保持量子技术应用（如量子模拟、安全通信与光量子计算）所需的理想光学特性。该研究第一作者为巴西坎皮纳斯州立大学格列布・瓦塔金物理研究所（IFGW‑UNICAMP）研究员 Saimon Filipe Covre da Silva，相关成果发表于《纳米快报》。

分子束外延系统用于生长单光子发射器

“我们的研究证实，可在砷化铝镓（AlGaAs）中制备出表面密度低、光子发射快、结构对称性高的砷化铟镓（InGaAs）量子点，这些是按需产生单光子与纠缠光子对的关键特性。”Silva 表示。

量子光学领域的诸多开创性实验均采用Stranski-Krastanov（SK）法生长的砷化铟镓量子点。这种外延生长模式是一种晶体在另一种晶体上沿衬底晶向生长，即由基底晶格决定生长取向。20 世纪 30 年代，保加利亚物理学家 Ivan Stranski（1897–1979）与 Lyubomir Krastanov（1904–1971）提出理论模型，描述了从层状生长向三维岛状结构形成的转变。在上述实验中，这些岛状结构即为量子点。

尽管该方法效率较高，但制备的量子点存在以下缺陷：表面密度高、结构差异性大、辐射寿命相对较长（约 1 纳秒）。该方法还会不可避免地保留 “浸润层”，即沉积材料在衬底表面形成的连续二维初始薄层。当浸润层达到临界厚度后，生长不再以平面方式进行，进而形成三维岛状结构。所生长材料尺寸不一，且处于应力状态。这种应力虽促成岛状结构形成，却也给光源带来不利影响。

上述特性导致难以对单个量子点进行光学寻址，并可能引入退相干效应，损害单光子或纠缠光子对相关应用。因此，一种被称为局部液滴刻蚀（LDE）的替代方案近年来备受关注。该方法在外延生长过程中形成微小金属液滴（通常为镓或铝），在材料表面制备出高度一致的纳米空腔；再通过可控方式填充空腔，即可获得密度可调、高对称性的量子点。

局部液滴刻蚀的技术优势

此前，该技术主要用于在砷化铝镓（AlGaAs）中制备砷化镓（GaAs）量子点。受低温下砷化镓带隙限制，这类量子点的发光波长被限定在 815 纳米附近。

这项新研究拓展了应用范围。“我们证实，在砷化铝镓中刻蚀出的纳米空腔内，填充约 1 纳米厚的砷化铟镓薄层，可获得几乎无机械形变、光学性能优异的量子点。” 该研究员指出。

铟（In）的名义组分在 0.1 至 0.4 之间可调，可实现发射波长调控。显微光致发光测试显示，量子点表面密度极低，仅为每平方微米 0.2 至 0.3 个；同时辐射寿命极短，接近 300 皮秒（ps），在相同光谱范围内，比传统Stranski-Krastanov法制备的砷化铟镓量子点快约三倍。

波长拓展与关键性能指标

该研究的核心成果之一是发射波长拓展。研究人员观察到，随铟浓度提升，发射波长逐步红移，在约 10 开尔文（K）低温下可在 780 纳米至近 900 纳米范围内调节。

“这一波段对集成光子学尤为重要，因为砷化铝镓结构中的散射与吸收损耗随波长增加而降低；同时，该波段与传统砷化铟镓量子点已成熟的光学技术兼容。”Silva 解释道。

另一项关键分析指标是精细结构分裂（FSS），该参数对制备偏振纠缠光子对至关重要。本研究测得的数值与液滴刻蚀法制备的砷化镓量子点最优结果相当。从实际应用看，如此小的精细结构分裂值意味着在量子密码与量子网络中极具应用潜力。这类场景以纠缠为核心特性。实验表明，该光源几乎不同时发射两个光子，而是逐次发射单光子，完全符合理想单光子源的行为特征。

“低密度、高对称性、快发光、长波长的组合，使这类新型量子点在集成量子光子学中前景广阔。此外，其电子 s 态与 p 态间的能量间隔更大，可达砷化镓量子点的两倍，有望让量子器件在 40K 以上的更高温度下稳定工作。”Silva 补充道。

综合来看，这些成果预示着新一代固态量子光源的诞生：更抗退相干效应，且更适配可扩展量子器件架构。