高颗粒均匀性、高光致发光量子产率、窄发射线宽和快速发射速率是胶体纳米材料在量子技术应用中的关键性能标准。尽管基于胶体零维量子点的室温单光子源研究已取得显著进展，但仍面临尺寸分布不均和严重非辐射俄歇复合等问题，严重制约了量子光源性能的进一步提升及其片上集成的发展。胶体准二维量子阱（colloidal 2D quantum wells）因具备高发射均匀性、优异的光致发光量子产率及室温下的窄线宽等特性，被认为是实现高性能单光子源的理想体系。然而，其较大的横向尺寸导致激子对环境敏感且易产生多激子发射，长期以来对其作为单光子源的可行性造成困扰。
近日，东南大学尹婷婷教授、倪振华教授团队与澳门大学、新加坡南洋理工大学合作，通过面内工程（in-plane engineering）设计并构建了具有双梯度（doubly gradient）渐变结构的胶体准二维量子阱，实现了明亮、高纯度且最小化闪烁的室温单光子发射，在实现稳健室温量子发射器方面取得了重要进展。
具体而言，该胶体准二维量子阱采用双梯度结构构架：面内方向的组分梯度CdSe/CdSexS1−x核可精确调控电子–空穴波函数的分布，有效抑制多激子俄歇复合；厚度方向上的梯度CdyZn1−yS壳层则显著降低界面应变与非辐射缺陷的产生。这一创新设计融合了零维和二维结构的优势，实现了接近100%的ensemble光致发光量子产率及明亮的单光子发射（0.6−1.2×105 counts/s）。进一步，通过调控CdSe核尺寸，在2 nm核体系中实现了92%的单光子发射纯度（g2(0) ≈ 0.08），并在8 nm核体系中达到96.9%的高亮态占比。该研究不仅确立了胶体准二维量子阱作为高性能室温单光子源平台的潜力，还提出了确定性结构设计规则，可同时满足上述四项关键指标。更重要的是，基于胶体准二维量子阱的单光子源展现出良好的芯片集成前景，有望突破传统零维量子点单光子发射源在集成应用中的局限性，为发展可用于量子信息技术的相干量子光源提供了新路径。
图1.该二维量子阱的结构特性及其单光子发射特性表征。
研究成果发表于Journal of the American Chemical Society。东南大学尹婷婷教授与倪振华教授、澳门大学孙汉东教授和南洋理工大学Hilmi Volkan Demir教授为共同通讯作者；东南大学尹婷婷教授和新加坡南洋理工大学博士后梁萧为共同第一作者。该研究获得了国家重点研发计划、江苏省自然科学基金等项目的支持。
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Engineering Colloidal Quasi-2D Quantum Wells for High-Performance Room-Temperature Single-Photon Sources
Tingting Yin*, Xiao Liang, Yuqing Huang, Yi Tian Thung, Zhenhua Ni*, Handong Sun*, Hilmi Volkan Demir*
J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c08797
导师介绍
倪振华
https://www.x-mol.com/university/faculty/49587
