NUS-wetenschappers hebben ontdekt dat de zuurstofinterstitials in enkellaags wolfraamdiselenide (WSe ₂ ) om het te laten functioneren als single photon emitters (SPE's) voor kwantum optische toepassingen.

Tweedimensionale (2-D) materialen met atomair dunne honingraatachtige roosters werden onlangs experimenteel ontdekt voor gebruik als SPE's. SPE's zenden licht één voor één uit als afzonderlijke deeltjes of fotonen en ze spelen een belangrijke rol in de kwantumoptica en de verwerking van kwantuminformatie. SPE's ontwikkeld met behulp van 2D-materialen zoals WSe ₂ , bieden flexibiliteit voor mogelijke apparaat- en circuitintegratie in een halfgeleiderproductieomgeving. Echter, de aard van deze experimenteel ontdekte SPE's in WSe ₂ is niet duidelijk en dit belemmert hun potentiële gebruik in kwantumtoepassingen.

Prof Su Ying QUEK van het departement Natuurkunde, NUS en haar onderzoeksteam hebben vastgesteld dat de emissies van enkelvoudige fotonen afkomstig zijn van de gelokaliseerde excitontoestanden in WSe ₂ waren te wijten aan de zuurstofinterstitials die aanwezig zijn in het enkellaags 2-D-materiaal. Het onderzoeksteam gebruikte een combinatie van theoretische berekeningen en experimentele benaderingen om tot de uitkomst te komen. Met een beter begrip van de oorsprong van emissies van enkelvoudige fotonen, de bevindingen kunnen helpen bij de ontwikkeling van SPE's die 2D-materialen gebruiken en om hun emissieprestaties te verbeteren.

In hun onderzoekswerk het team slaagde er niet in om correlaties te vinden tussen de berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie op intrinsieke puntdefecten in de WSe ₂ materiaal met de experimenteel verkregen spectra van scanning tunneling spectroscopie. Vervolgens concentreerden ze zich op de zuurstofgerelateerde puntdefecten die verband houden met de WSe ₂ materiaal. Deze defecten kunnen gemakkelijk in het materiaal worden opgenomen tijdens het syntheseproces of door passivering bij omgevingslucht. Door middel van een eliminatieproces ze ontdekten dat defecten die verband houden met zuurstofinterstitials in het rooster het meest waarschijnlijk de gelokaliseerde excitontoestanden produceren in de experimenteel waargenomen spectrale posities.

Prof Quek zei:"Dit werk biedt een gedetailleerde studie van puntdefecten in monolaag WSe ₂ en voorspelde de aard en energieën van excitonen op deze defectlocaties. Het ontcijferen van de oorsprong van de enkele fotonstralers zal nuttig zijn voor de ontwikkeling van kwantumstralers die andere 2D-materialen gebruiken voor kwantumoptische toepassingen."