“纳米点”控制可以微调光线，实现更清晰的显示和量子计算

宾夕法尼亚州立大学和巴黎萨克雷大学的研究人员领导的一个国际团队表示，新实现的对嵌入二维（2D）材料中的微小光源（几纳米大小）发出的光的精确控制可能会导致高分辨率的监测器和超快量子计算的进步

在最近发表在ACS Photonics上的一项研究中，科学家们共同展示了如何通过在二维材料中嵌入第二种二维材料来调制二维材料发出的光，就像一个几纳米大小的小岛，称为纳米点。该团队描述了他们如何实现纳米点的二维限制，并证明通过控制纳米点的大小，他们可以改变发射光的颜色和频率

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程副教授、该研究的合著者Nasim Alem说：“如果你有机会从这些与量子技术和电子学相关的材料中获得局部发光，那将是非常令人兴奋的。”。“设想从你的场中的零维点获得光，就像空间中的一个点，不仅如此，你还可以控制它。你可以控制频率。你也可以控制它来自的波长。”

研究人员将由称为二硒化钼的二维材料制成的纳米点嵌入另一种二维材料二硒化钨中，然后将一束电子对准该结构使其发光。这种称为阴极发光的技术使研究小组能够研究材料中的单个纳米点如何以高分辨率发光

“通过将光检测工具与透射电子显微镜相结合，透射电子显微镜是一种使用电子对样本进行成像的强大显微镜，你可以看到比其他技术更精细的细节，”第一作者Saiphanendra Bachu说，他在2023年从宾夕法尼亚州立大学获得博士学位之前担任该研究的主要博士生，现在是三星奥斯汀半导体公司的TEM分析工程师。“电子的波长很小，所以分辨率非常高，可以让你分别检测来自一个小点和附近另一个小点的光。”

他们发现，较大的点会发出一种发光，而较小的点会产生另一种发光。当这些点非常微小时——宽度小于10纳米，大约有11个氢原子排列成一条线的大小——它们以一种独特的方式表现出来，捕获能量并发出频率更高的光，这相当于波长更小

根据Alem的说法，这种现象被称为量子限制。当这些点包含在一个非常小的空间中，以至于它们的能量被量化时，就会发生这种情况，这意味着它成为一种离散的特性，可以实现新的特性，包括新的电子和光学能力。在这种情况下，研究人员证实，纳米点将称为激子的基本粒子对限制在二硒化钼和二硒化钨的界面上

激子可以传输能量，但不带净电荷，它们可以影响半导体（支撑智能手机、电脑等的芯片）的行为。通过精确控制材料中的激子，科学家们可以更有效地操纵它们发出的光，他们说这可能会导致更快、更安全的量子系统，以及其他可定制的节能设备，如更高分辨率的屏幕显示器

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“想想OLED显示器是如何工作的，”巴楚说。“每个像素后面都有自己的微小光源，所以你可以控制每个像素的确切颜色或亮度。这让屏幕显示真正的黑色和准确的颜色，如红色、绿色和蓝色。如果你改进这个过程，你会让画面更清晰、更有活力。”

这种控制来自调整半导体材料的带隙——本质上是电子必须穿过的能量阈值才能使材料发光。Alem说，具有较低尺寸的材料，如单层2D二硒化钨，可以具有直接带隙，与较厚的间接带隙相比，它在发光方面更有效

但是，即使在一系列相关的二维材料中，如二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼和二硒化钨，发光效率和其他电子和光学特性也会有所不同，因为它们各自具有不同的带隙能量

巴楚说：“通过将它们混合在一起，比如以特定的比例将二硒化钼和二硒化钨结合在一起，你可以微调带隙，以发出特定颜色的光。”。“这个过程被称为带隙工程，是可能的，因为这个家族中的材料种类繁多，使它们成为研究和创造这些光源的绝佳平台。”研究人员表示，他们现在正计划在这项工作的基础上进一步发展。Alem说：“这只是冰山一角。”。“通过探索原子结构、化学和其他因素在控制光发射中的作用，同时扩展本研究中吸取的经验教训，我们可以将这项研究提升到一个新的水平，并开发实际应用。”