突破！二维半导体实现室温下明亮量子光发射

近日，由基础科学研究院（IBS）多维碳材料中心PARK Kyoung-Duck教授与SUH Yung Doug副所长牵头的联合研究团队，成功研发出一种高效量子光源，该光源即便在室温下也能发出明亮光线。这一成果突破了二维半导体长期存在的技术局限。二维半导体是一种原子级超薄材料，厚度仅为人类头发丝的约十万分之一，此前这类材料必须在低温环境或借助复杂的电控栅结构才能实现高效发光。

这项研究的核心是激子，半导体中电子与 “空穴”（电子缺失形成的类正电荷载体）结合后形成的发光准粒子。在二维半导体中，激子尤为关键，有望用于制造超薄、高效率的光电器件。但长期存在一个核心难题：在室温下，激子极易扩散，难以在精准位置产生明亮的光辐射。

退火前，界面水层充当介电势垒，使多余电子滞留并促进三激子（X⁻）形成等非辐射复合通道。退火后，水层被去除，自由电子得以转移至金衬底，实现电荷中和。激子因此向纳米孔中心汇聚并形成局域激子（Xₗ），最终实现高效率发光。（图片来源：IBS）

近年来，研究人员对局域激子愈发关注。这类激子被束缚在纳米尺度的有限区域内。打个比方，这就像一个球在平坦地面上自由滚动，与球被限制在碗中不动的区别。局域激子同理：一旦被束缚，就能更稳定地发光，且波长可控性更强，是理想量子光源的优质候选。

但室温环境对此极为不利。随着热能升高，激子会挣脱束缚区域，如同小球从浅碗中弹出。同时，材料中残留的多余电荷会与激子相互作用或耗散其能量，导致系统以热能而非光能形式损耗能量。正因如此，常规环境下二维半导体中局域激子的发光效率通常不足 1%。

为攻克这一难题，研究团队在代表性二维半导体二硫化钼（MoS₂）单层下方设计了 500 纳米的纳米孔结构。该纳米孔如同一个纳米级 “碗”，可自然将激子汇聚至中心并束缚在极小区域内。团队模拟显示，纳米孔区域约 98% 的激子会汇聚到中心并形成局域激子态，实现了极高效率的纳米尺度束缚。

与此同时，研究人员解决了另一大损耗来源：材料中的多余电子。在将二硫化钼层转移至金衬底的过程中，界面会自然形成一层薄水膜。这层水膜充当介电势垒，阻碍高效电荷转移，使多余电子滞留在半导体中并降低发光效率。团队通过热退火去除了这层水膜，让电子从二硫化钼流入金衬底，有效实现了材料电荷中和，并大幅抑制了非辐射损耗通道。

最终，该系统在常温环境下实现了明亮的局域激子发光，光致发光量子产率相较退火前提升约130倍。研究团队表示，纳米孔区域的量子产率从 0.076%（基本无实用价值）提升至约 10%（可清晰观测的明亮发光），远高于室温下原始单层二硫化钼的常规水平。

研究人员利用量子限域效应将发光激子态束缚在极小区域内，证实了一种可在大面积上实现明亮、稳定量子发光的实用方案。该成果意义重大，它表明基于二维半导体的量子发射体，亮度与稳定性可逼近 QLED 显示屏所用量子点，同时保留原子级超薄材料的额外优势。该研究也为更先进器件指明了方向：通过进一步缩小纳米结构尺寸、优化光激发条件，研究团队认为有望实现室温下高效单光子发射，而这在此前一直是极具挑战性的目标。

PARK Kyoung-Duck教授表示：“本研究的核心突破在于，我们将发光粒子汇聚并束缚在单个纳米尺度点上，实现了室温下仍可明亮发光的量子光源。这一结构可作为未来各类光子与量子器件的基础平台。”

该团队还证实，局域激子发光可实现动态可逆调控。通过原子力显微镜针尖施加吉帕级压力，可调节纳米孔处的应变，进而调控局域激子行为。在退火样品中，局域激子发光强度提升约 120%，撤去压力后效应消失，展现出完全可逆的特性。

IBS 副所长SUH Yung Doug表示：“这项研究的重要意义在于，我们通过精准控制二维半导体中光的产生与损耗机制，大幅提升了器件性能。该技术有望成为未来室温单光子源发展的重要转折点。”

该研究另一大亮点是实用化可扩展性。此前实现高效局域激子发光的诸多方案，均依赖复杂的电器件结构或低温环境，难以实际应用。相比之下，本方法仅采用纳米结构加工与热处理的简单组合，且兼容成熟的半导体晶圆级制造工艺，为可规模化集成的量子光源技术打开了大门，可应用于量子通信、量子计算及下一代纳米LED等领域。

除量子通信与量子计算外，该平台还可用于高效纳米光源、可调光电器件及未来纳米光子技术。从更广泛意义而言，该研究为低维材料激子调控提供了全新设计思路：通过同时实现激子空间限域与多余电荷中和，即便在普通室温条件下也能稳定实现明亮的量子发光。