Defect Candidates for Single-Photon Emission in Monolayer GaS and GaSe
本研究利用各向异性屏蔽交换泛函，研究了单层 GaS 和 GaSe 中的本征缺陷与取代缺陷，并确定了镓空位（尤其是 GaS 中的镓空位）是单光子发射应用中极具潜力的候选对象。
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想象一个并非由砖块和砂浆，而是由单层原子构成的世界，这些原子极其薄，本质上是二维的。在这个领域中，科学家们正在寻找微小的缺陷，这些缺陷可以作为完美的光源。这些被称为“缺陷”的不完美之处并非需要修复的瑕疵，而是可以被工程化设计的特征。正如墙上一块缺失的砖可能会改变声音在房间内的传播方式一样，晶体片中缺失的一个原子可以捕获电子，并迫使它们以单个光粒子（称为光子）的形式释放能量。这种一次只能发射一个粒子的能力，是未来技术（如超安全通信和量子计算）梦寐以求的圣杯。挑战在于寻找合适的材料和合适的缺陷，因为大多数不完美要么毫无作用，要么以混乱的爆发形式而非受控的单流形式释放光线。
两种材料最近引起了研究人员的关注：单层硫化镓和单层硒化镓。这些是由镓与硫或硒结合而成的原子片。虽然它们看起来很简单，但其内部的电子景观却非常复杂且敏感。为了理解这些材料在缺少原子或原子被替换时的行为，科学家必须观察电子生存的能级。如果缺陷在材料内部创造了一个特定的能隙，它就可能作为一个单光子发射器。然而，要区分一个真正创造了新能态的缺陷，与一个仅仅因缺陷存在而发生轻微偏移的能态，是非常困难的。这需要一种非常精确的方法来计算电子如何相互作用，尤其是在这些物理规则表现得不同的扁平二维片层中。
在最近的一项研究中，研究人员致力于绘制硫化镓和硒化化镓中这些隐藏的能量景观。他们专注于两种类型的变化：空位（即原子从片层中简单缺失）和取代（即外来原子如硅或锌取代了镓原子）。为了获得清晰的图像，他们使用了一种专门为二维材料设计的复杂计算机模拟方法。这种方法修正了建模电子时的常见误差，确保计算出的能级尽可能准确。他们构建了这些原子片的数字模型，创建大型原子网格以模拟缺陷周围的环境，然后通过放松结构来观察周围原子如何适应缺失或被替换的部分。
该团队检查了八种不同的场景，在两种材料中分别测试了四种类型的缺陷。他们观察了当镓原子缺失时、当硫或硒原子缺失时，以及当硅或锌原子取代镓原子时会发生什么。通过分析电子的自旋——这一属性可以被理解为微小的磁取向——他们可以观察到这些缺陷如何改变材料内部的能隙。结果表明，并非所有的缺陷都是平等的。有些创造的能态对于可见光来说能量过高，而另一些则创造了能够完美定位在可见光谱范围内发射光的能态。
最令人振心的发现来自于镓空位。在硫化镓片中，当一个镓原子被移除时，周围的硫原子会向空位处轻微移动，从而创造出一个特定的能隙，大小为1.472电子伏特。这种能量差对应于可以作为单光子发射的光。在硒化镓片中也发现了类似的效应，缺失一个镓原子创造了一个约1.496电子伏特的能隙。这些数值之所以重要，是因为它们处于对光学应用高度理想的范围内。相比之下，涉及缺失硫或硒原子的缺陷创造了更大的能隙，分别约为3.465和3.385电子伏特。这些较高的能量将潜在的光发射置于深紫外范围内，这对于研究人员目前针对的具体应用而言用处较小。
研究还探讨了当硅或锌原子取代镓时的情况。在硫化镓片中，锌取代同时创造了能隙内的占据态和非占据态，显示出对电子自旋的强烈依赖性。这表明它可能是一个值得进一步研究的候选对象，尽管硫化镓中的镓空位整体而言是更强的竞争者。研究人员通过检查材料对光的响应，验证了这些能隙不仅仅是理论数字。他们发现，硫化镓中的镓空位在预期的低能处显示出清晰的信号，证实了这些缺陷态之间的跃迁在光学上是活跃的。
最终，这项工作提供了一份明确的路线图，指明了应该追求哪些缺陷。模拟结果表明，单层硫化镓中的镓空位是单光子发射器的领先候选者，硒化镓中的镓空位紧随其后。研究排除了硫族元素空位（缺失硫或硒）作为此类特定用途的实际候选者，因为它们具有过高的能量要求。虽然锌取代显示出了一定的前景，但镓空位提供了最显著且易于获取的能级。这些发现尚未证明这些材料能在真实器件中发挥作用，但它们确定了哪些特定的原子构型值得在实验室中进行构建和测试。前进的道路现在已经变得清晰：专注于创造和表征这些特定的缺失原子缺陷，看看它们是否确实能成为下一代量子技术所需的可靠单光子源。
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