由基础科学研究院（IBS）多维碳材料中心的朴景德（PARK Kyoung-Duck）教授和徐容道（SUH Yung Doug）副所长领导的研究团队，成功实现了一种在室温下也能发出明亮光的高效量子光源。这一成果克服了二维半导体长期存在的局限——这些原子级薄的材料通常比人类头发丝薄约10万倍——此前，它们需要极低的温度或复杂的电栅极结构才能产生高效的光发射。

该研究的核心是激子，一种在半导体中由电子与“空穴”（即电子的缺失，行为类似于正电荷）结合而形成的发光准粒子。在二维半导体中，激子尤为重要，因为它们能够实现超薄且高效的光学器件。然而，存在一个主要问题：在室温下，激子极易扩散，难以在精确位置产生明亮的光。

最近，研究人员对局域激子——即被困在纳米级限在纳米尺度区域内的激子——的兴趣日益浓厚。可以形象地类比为：一个球在平地上滚动在平坦的地板上，与一个球落在碗里。在平坦表面上，球可以自由移动，但在一个小凹坑里，它会被困在一个地方。局域激子的行为类似：一旦被约束，它们就能更稳定地发光，并更好地控制波长，从而成为理想量子光源的有力候选者。

但室温使这一过程变得困难。随着热能增加，激子可能从约束区域逃逸，就像球可能从一个浅碗中弹出来一样。同时，材料中残留的过量电荷会与激子相互作用或消耗其能量，导致系统以热量而非光的形式损失能量。因此，在环境条件下，二维半导体中局域激子的发光效率通常低于1%。

为了克服这一挑战，该团队在一个代表性的二维半导体——单层MoS₂下方设计了一个500纳米的纳米孔结构。这个纳米孔就像一个纳米级的碗，自然地将激子汇聚到其中心，并将其限制在一个极小的区域内。根据研究人员的模拟，纳米孔区域中约98%的激子被汇聚到中心并形成局域中心并形成局域激子态，表明在该纳米尺度区域内实现了高效约束。

同时，研究人员解决了另一个主要的能量损失源：材料中过量的电子。在将MoS₂层转移到金基底的过程中，界面处会自然形成一层薄薄的水残留层。这层水作为介电屏障，阻止了有效的电荷转移，使得过量电子滞留在半导体中并降低发光效率。通过热退火处理，该团队去除了这层水，使电子能够从MoS₂流入基底。这有效地中和了材料，并极大地抑制了非辐射损失途径。

结果，该系统在环境条件下产生了明亮的局域激子发射，光致发光量子产率比退火前提高了约130倍。研究人员报告称，纳米孔区域的量子产率从0.076%（基本不可用）增加到约10%（清晰可见的亮光），远高于原始单层MoS₂在室温下的典型值。

通过利用量子限域效应将发光激子态捕获在极小的区域内，研究人员展示了一条在大面积上实现明亮、稳定量子发射的实用途径。

这一结果意义重大，因为它表明由二维半导体制成的量子发射器在亮度和稳定性方面可接近QLED显示器中使用的量子点，同时保留了原子级薄材料的额外优势。该研究额外优势。该工作还指出了通往更先进器件的路径。通过途径。研究人员认为，通过使纳米结构更小并进一步优化光学激发条件，有可能实现在室温下的高效单光子发射，而这迄今为止仍然极具挑战性。

朴景德教授表示：“这项表示：“研究的关键成就是，我们通过将发光粒子收集并限制在一个纳米级点上，实现了即使在室温下也能明亮发光的量子光源。这种结构可以为未来广泛的光子和量子器件奠定基础。”

该团队还演示了局域激子发射的动态可逆控制。通过使用原子力显微镜的尖端施加千兆帕斯卡级压力，他们能够调节纳米孔处的应变，从而调控局域激子的行为。在退火样品中，这导致局域激子发射强度增加了约120%，并且当压力释放时，这种效应消失，表明该过程是完全可逆的。

IBS副所长徐容道表示：“这项工作一个重要方面是，我们通过精确控制二维半导体中光的产生和损失方式，大幅提升了性能。这项技术可能成为迈向未来室温单光子源的重要转折点的重要转折点。”

该研究的另一个重要方面是其实际的可扩展性。此前许多实现高效局域激子发射的策略依赖于复杂的电气器件架构或低温环境，这两者都使得实际应用变得困难。相比之下，当前方法使用了相对简单的纳米结构加工和热处理组合。由于该方法与现有的方法与成熟的半导体晶圆级制造工艺兼容，这项工作为可扩展、集成的量子光源技术打开了大门，可应用于量子通信、量子计算和下一代纳米LED等领域。

除了量子通信和量子计算，研究人员表示，该平台也可能适用于高效纳米级光源、可调谐光电器件以及未来的纳米光子技术。更广泛地说，该工作为在低维材料中控制激子提供了一种新的设计策略：通过同时从空间上约束激子并中和不需要的电荷，即使在普通室温条件下也能稳定明亮的量子发射。

这项研究发表在《科学进展》上。