强限域碲量子点作为单光子源构建单元的突破性研究及其在量子技术中的应用

研究人员通过脉冲激光液体烧蚀(PLAL)技术成功合成尺寸约19±3 nm、带隙约2.4 eV的强限域碲(Te)量子点(QDs)，解决了传统封端剂影响光电性能的难题。该研究首次实现kHz级底部烧蚀法制备未封端Te QDs，通过拉曼光谱和X射线衍射证实其量子限域效应与各向异性，并揭示其作为单光子源的潜力，为量子硬件技术提供了新型材料基础。

　　

在量子技术迅猛发展的今天，单光子源作为量子通信和计算的核心组件，其性能直接决定了系统的可靠性。然而，传统半导体量子点(QDs)面临封端剂干扰光电特性、尺寸控制不精准等挑战。碲(Te)因其独特的螺旋链状晶体结构、强自旋轨道耦合(SOC)和本征手性，成为极具潜力的量子材料，但其高反应活性导致未封端Te QDs的合成始终是学界难题。

为突破这一瓶颈，研究人员采用创新的脉冲激光液体烧蚀(PLAL)技术，以甲苯(C₆
H₅
CH₃
)为溶剂防止氧化，通过底部烧蚀法在kHz高频脉冲下成功制备出平均尺寸19±3 nm的Te QDs。动态光散射(DLS)和透射电镜(TEM)证实其均匀性，而拉曼光谱显示E¹
、A¹
和E²
振动模式蓝移，直接验证了量子限域效应。X射线衍射(XRD)揭示其(101)晶面择优生长，暗示压电响应潜力。

研究团队通过紫外-可见光谱和光致发光(PL)光谱测定Te QDs带隙达2.4 eV，较体材料(0.33 eV)显著增大，时间相关单光子计数(TCSPC)技术进一步显示其载流子寿命延长至2.20 ns。这些特性使其成为理想的单光子源候选材料——强限域效应通过增强俄歇过程抑制双激子发射，保障了单光子纯度。

该成果发表于《Materials Today Quantum》，不仅首次实现强限域Te QDs的无封端合成，更开辟了将各向异性材料应用于量子光源的新途径。其采用的PLAL技术为纳米材料可控合成提供了普适性方案，而Te QDs的手性与SOC特性有望推动自旋量子比特器件的发展。这项研究从材料制备、性能表征到应用探索形成完整链条，为下一代量子技术硬件奠定了关键材料基础。

主要技术方法
研究采用纳秒Nd:YAG激光(1064 nm)进行PLAL合成，通过DLS和TEM分析尺寸，STEM-EDXS验证元素组成。非偏振/偏振拉曼光谱和XRD表征晶体结构与各向异性，UV-vis和PL光谱测定光学带隙，TCSPC技术分析载流子动力学。

研究结果

1. 尺寸与限域效应：DLS与TEM显示Te QDs尺寸分别为21±4 nm和19±3 nm，小于激子玻尔半径(49 nm)，符合强限域条件。
2. 结构特性：XRD证实六方晶系结构，(101)峰位移表明压电响应；拉曼蓝移(ΔE¹
   =90→95 cm^-1
   )验证量子限域。
3. 光学性能：PL发射峰498 nm(2.5 eV)，TCSPC显示2.20 ns长寿命，显著优于体材料(0.62 ns)。

结论与意义
该研究开创性地实现了强限域Te QDs的无封端制备，其量子限域效应、各向异性和长载流子寿命特性，使其成为单光子源的理想候选。PLAL技术的创新应用为量子材料合成提供了新范式，而Te QDs的手性-SOC耦合特性更可能推动拓扑量子计算发展。这项成果从基础研究到应用落地展现出完整价值链条，标志着量子光源材料研究迈入新阶段。