量子信息技术需要明亮且稳定的单光子发射（single-photon emitter，SPE）源。二维材料作为一个可以应用于光量子信息技术的载体，近年来得到快速发展。自首次在室温下观察到单层六方氮化硼（hexagonal boron nitride，h-BN）的单光子发射以来，h-BN中的SPE因其具有超高亮度、良好的光稳定性和鲁棒性等优异的光学特性受到了广泛关注。然而, h-BN基单光子源研究面临着各种挑战： (1) 目前仍未掌握有效产生稳定h-BN单光子源的可靠方法； (2) 大面积高质量h-BN晶体合成尚存在巨大困难； (3) h-BN单光子源的相关应用还处于初步探索中。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室吴天如团队于《Advanced Optical Materials》杂志上发表题为“Microstructure Engineering of Hexagonal Boron Nitride for Single-Photon Emitter Applications”的综述文章。文章首先从h-BN中的各种微观结构（包括原子缺陷、气泡、褶皱、光腔以及转角等）可以有效地产生SPE出发，总结和分析了这些微观结构的制备方法、可控性以及未来大规模制造h-BN的SPE的前景。此外，文章还回顾了在金属和介电衬底上合成大面积、高质量多层h-BN的最新进展，对比了目前常用的三种方法，即高温高压法（HTHP），同位素合成法以及化学气相沉积法（CVD）的优势，指出了实现均匀的高质量的晶圆级h-BN薄膜是实现SPE应用的关键。最后，文章描绘了h-BN的单光子发射在量子传感、波导集成和量子光源中的应用，展望了其在低维量子光学中广阔的应用前景。

该论文的第一作者为上海微系统所张超博士，通讯作者为上海微系统所吴天如副研究员和上海硅酸盐所时志远助理研究员。该工作得到中国科学院战略性先导专项、中国科学院青年创新促进会、上海市科委、国家自然科学基金、上海扬帆计划和山东大学晶体材料国家重点实验室等相关研究计划的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202200207

图1. 通过h-BN表面构建微结构产生稳定单光子源

图2. 在金属和介电衬底上合成高质量h-BN的最新进展

图3. 单光子发射在量子传感、波导集成和量子光源中的应用