空气中三种常见商用hBN样品的发射器的光稳定性。在制备的 （a） 单层 CVD、（b） 多层 CVD 和具有 （c） I 型和 （d） II 型发射的多层液体剥离 hBN 中，时间 0 秒（上图）的光致发光 （PL） 光谱和 0 s 至 150 秒（下图）的时间迹线，零声子线 （ZPL） 接近 1.98 eV。在（a）的下面板中，蓝色箭头表示ZPL在大约5秒时消失，而红色箭头突出显示了在大约13秒处出现的新发射峰，该峰在完全失去发射信号之前与原始ZPL偏移+50 meV。固定发射能量下的代表性时间依赖强度绘制在（e）单层CVD，（f）多层CVD和多层液体剥离hBN的蓝线中，（g）I型和（h）II型发射。（e）至（h）中的橙色线与聚类分析相吻合，其细节载于本文件补充说明1。在（e）单层CVD hBN中，观察到离散漂白步骤，其中每个步骤可能对应于单个发射器。来源：通讯材料（2023 年）。DOI： 10.1038/s43246-023-00345-8

单光子发射器是适用于光量子技术的关键建筑材料。其中，六方氮化硼是一种很有前途的二维材料，可以保留明亮的室温单光子发射器。然而，光不稳定性是促进这些特性在实践中应用的现有挑战。

在《Communications Materials》上发表的一项新研究中，Sylvia Xin Li和麻省理工学院化学工程系、德克萨斯大学、RIKEN先进光子学中心和牛津大学的一组科学家揭示了光漂白六方氮化硼空位发射器的可能性，以促进适合量子应用的光稳定性。

设计量子发射器

量子力学可以用于现实世界的应用，作为探索光子量子态以进行信息处理和传输的最有趣和增长最快的技术之一。研究人员研究了三维晶体中的各种固态单光子源;然而，从这些光源发出的光可以被周围笨重的介电环境所包含，从而导致发射效率降低。

科学家可以通过介电材料克服二维宿主（如过渡金属硫族化合物和六方氮化硼（hBN））中颜色中心的挑战，这些介电材料在单个原子层水平上显着减少厚度，以与片上光子学集成。虽然过渡金属硫族化合物中的单光子发射仅在室温下观察到，但材料本身可以容纳明亮的室温单光子发射器，以提供具有独特光物理特性的六方氮化硼等材料在低温下发挥作用。

空气中P3排放的总强度。由于单个时间轨迹具有离散的漂白步骤，因此通过对N条时间轨迹求和得到总强度的整体衰减曲线。这里，N = 31，7，19和6分别用于（a）单层CVD hBN，（b）多层CVD hBN，（c）具有I型发射的液体剥离hBN和（d）具有II型发射的液体剥落hBN。红色虚线和黄色虚线分别拟合一个指数衰减函数和两个指数衰减函数之和。从具有95%置信区间的单指数拟合来看，单层CVD hBN的漂白寿命为6.6 0.6 s。从置信区间的双指数拟合中，提取了单层CVD hBN、多层CVD和I型发射的液体剥落hBN的两个漂白寿命，分别为95.2 9.0和1 55.3 s、2 11.4和1 170 s，以及20 10.1 s和6 220 s。具有II型排放的液体剥离hBN的漂白寿命超过30 s，这被认为是可光的。来源：通讯材料（2000 年）。DOI： 2023.10/s1038-43246-023-00345

原子级成像

在这项工作中，Li及其同事定量研究了各种六方氮化硼样品的光漂白寿命，并揭示它们通过与氧气的光化学反应占主导地位。该团队表明，通过在材料上堆叠额外的单层化合物的简单策略，漂白可以显着减少。

科学家们用环形暗场扫描透射电子显微镜表征了光漂白单层，以实现hBN晶格的高质量原子尺度成像。他们结合了X射线光电子能谱和环形暗场扫描透射电子显微镜，实现了六方氮化硼晶格的高质量原子尺度成像。

用ADF-STEM表征漂白发射器。单层CVD hBN的假彩色光学显微照片（a）和宽场光致发光成像（b），悬浮在TEM网格的多孔碳膜上。（a） 和 （b） 中的比例尺对应于 20 μm。c 共聚焦光致发光光谱，显示悬浮的hBN单层在1.98 eV（P3）附近有一条零声子线（+）和一声子边带（*），以及来自网格碳膜的拉曼响应（o）。浅色和深色线条分别对应于原始数据和平滑数据。P3发射为红色，背景光谱为黑色。在（a）和（b）中，圆圈表示背景测量的位置，虚线方块表示P3光谱的位置。请注意，在覆盖该TEM网格的hBN中仅观察到P3发射。d 网格中一个孔的缩小的ADF-STEM图像，其位置与（a）和（b）中的虚线正方形相同。比例尺对应于 1 μm. e ADF-STEM 图像的典型 hBN 清洁区域。绿色圆圈表示点缺陷。比例尺对应于 2 nm。f 具有原子尺度分辨率的单空位缺失硼的代表性ADF-STEM分析，显示实验图像（左列），模拟图像（中列）及其相应的原子结构（右列）。顶行显示了 NNN 最内侧边缘原子的单空位，而底行显示了 OCC 取代 NNN。g 高倍率下连续两帧的平均强度，显示单空位缺失硼，其中两个O取代最内侧边缘N，通过降噪使图像均匀性更高。比例尺分别对应于 （f） 中的 2 Å 和 （g） 中的 5 Å。h 高放大倍率下无空位区域的代表性图像，白色箭头表示1、2和3线的方向。i 线剖面分析对应于（h）中的第1、2、3行。y 轴值表示强度。j，ADF-STEM图像来自（h）的注释，来自（i）中的分析。比例尺对应于 （h） 和 （j） 中的 5 Å。来源：通讯材料（2023 年）。DOI： 10.1038/s43246-023-00345-8

各种六边形氮化硼（hBN）样品中发射器的光稳定性

研究小组比较了三种市售的hBN薄膜，包括铜箔上生长的单层化学气相沉积生长的六角氮化硼，铜箔上生长的多层化学气相沉积hBN和悬浮在乙醇/水混合物中的多层液体剥落hBN纳米片。该团队无需任何后处理即可将这些样品转移到二氧化硅基底中，并使用定制的共聚焦光谱显微镜通过时间依赖性光致发光测量对其进行检查。

Li及其同事专注于在所有hBN样品中观察到的发射器物种，并注意到单层和多层化学气相沉积样品中存在三种不同的发射行为。未经热退火处理制备的多层液体剥离六方氮化硼表现出两种不同的目标发射模式，并具有广泛的特征。

单层化学气相沉积六方氮化硼（hBN）中的漂白机理

科学家们使用定制的环境室研究了单层hBN发射器在各种气氛下的漂白机制。他们通过将化学气相沉积生长的六方氮化硼的单层样品放置在带有石英观察窗的小型密封室中来实现这一点，并在气室中填充各种气体，包括氮气，氧气和水蒸气。由于许多有机荧光团被氧气或水降解，因此该团队在环境室中填充氮气以尽量减少水合作用。

虽然当团队在富氧气氛中进行漂白实验时，氮气氛并没有完全减轻漂白，但他们注意到它在光漂白过程中的影响。科学家们通过扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）中的环形暗场进一步研究了材料的漂白机制。

VB单空位的原子组成。引入了一个命名法来标记杂原子取代，该命名法将最里面的三个N原子的边缘顺时针化为1至3，以粗体突出显示，其余B和N原子为4至12。来源：通讯材料（2023 年）。DOI： 10.1038/s43246-023-00345-8

化学分析和热退火效果

Li及其同事进行了X射线光子光谱，以识别材料中的不同元素及其化学状态，与使用电感耦合等离子体技术的元素分析相比。为此，他们首先用氩离子束溅射样品表面以去除任何吸附的碳氢化合物。随着氩溅射时间的增加，多层表面碳的原子浓度降低以达到稳定值。结果与单层化合物的ADF-STEM成像结果一致。

随着表面碳浓度的提高，研究人员生长了以甲烷和氨硼烷为前体的杂化氮化硼和石墨烯结构域的原子层。然后，他们从实验室建造的低压化学气相沉积反应器中合成了具有三角形典型hBN晶体的hBN，并用扫描电子显微镜观察材料。研究小组还注意到在类似区域中存在多边形片，他们通过用拉曼光谱分析这些区域来归因于石墨烯的存在。

不同hBN样品的XPS表征及退火对液体剥离hBN的影响.用氩离子溅射预清洗的hBN样品的XPS光谱，显示B 1 s（a，d），N 1 s（b，e）和C 1 s（c，f）。虽然（a）至（c）代表多层CVD hBN，但（d）至（f）是多层液体剥离hBN的结果。CVD样品中的C浓度较高，主要以sp2 C-C的形式出现，对应于石墨烯结构域。请注意，C-N与C-（N）3不同，详细信息见补充图。第18条及补充表3。g 在 850 C 下在 Ar 中退火 30 分钟之前（粉红色）和之后（黄色）液体剥落 hBN 中 I 型发射的 I 型发射的光致发光 （PL） 光谱。 在 850 C 下在 Ar 中退火 30 分钟之前和之后，液体剥落 hBN 中 II 型发射的 PL 光谱，具有更清晰的零声子线 （ZPL）。 i 每种发射器物种的数量 Pi （i = 1， 2，3，4）在液体剥离hBN中，在（左条）和之后（右条）在Ar中850 C退火。 粉红色和黄色表示宽ZPL，对应于I型发射。蓝色和绿色表示尖锐的ZPL，对应于II型发射。在退火之前，P3具有很大比例的I型发射器，这些发射器在退火后几乎完全消失。所有II型发射器在退火后保持不变，无论发射种类Pi如何（i = 1，2，3，4）。来源：通讯材料（2023 年）。DOI： 10.1038/s43246-023-00345-8

展望

通过这种方式，Sylvia Xin Li和工程，化学和光子学研究团队确定了提高六方氮化硼材料中发射器光稳定性的关键，该材料有效地将氧气与环境隔离，以优化六方氮化硼（hBN）晶格中的碳替代。他们注意到hBN发射器的光漂白与空气直接接触，并且主要是光化学反应，释放氧气缺陷。该团队通过屏蔽分子氧和引入氮气气氛或在材料上堆叠额外的六方氮化硼层来减轻漂白的影响。

这种策略将平均发射器寿命提高了约20倍。该团队比较了一系列成像方法和热退火的实验结果，以验证结果，从而深入了解hBN量子发射的结构起源。所获得的有关缺陷工程六方氮化硼的知识将在更广泛的研究领域具有洞察力，以调整2D集成器件和2D量子材料中材料的电学特性，以便将来进行传感。

更多信息：Sylvia Xin Li等人，六方氮化硼量子发射器的延长光稳定性，通信材料（2023）。DOI： 10.1038/s43246-023-00345-8

Toan Trong Tran等人，六方氮化硼单层的量子发射，Nature Nanotechnology（2015）。DOI： 10.1038/nnano.2015.242

期刊信息：自然纳米技术