近日，6163银河线路检测中心凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授、陈基副教授、洪浩副研究员与合作者在二维材料缺陷调控领域取得重要突破。研究团队创新性地提出，通过将机械剥离的单层二硒化钨（WSe₂）与c面蓝宝石衬底耦合，可高效修复WSe₂中的Se空位缺陷，完全消除其低温光致发光光谱中的缺陷峰，实现高质量的本征激子辐射发光。2025年9月15日，该研究成果以“c面蓝宝石表面耦合消除单层二硒化钨中的缺陷态”（Eliminating defect states in monolayer tungsten diselenide by coupling with a c-plane sapphire surface）为题，在线发表于期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）, 并入选编辑推荐论文。

单层过渡金属硫族化合物是研究二维激子凝聚态物理及构建新型光电器件的理想体系。然而，即使在机械剥离并用六方氮化硼（hBN）封装的高质量“洁净”样品中，浅能级缺陷仍难以避免，严重制约了本征激子物理的深入研究及器件性能优化。传统的化学钝化或等离子体处理等方法虽能部分提升发光效率，但往往伴随新的结构损伤。

该研究发现，将单层WSe₂直接机械剥离在预退火处理的c面蓝宝石衬底上，可使其低温光致发光光谱中的缺陷峰完全消失，仅保留纯本征激子峰。同时，激子的发光寿命、量子效率及扩散系数较a面蓝宝石衬底样品显著提升。进一步的实验和理论计算表明，这一现象并非源于简单的电子杂化、表面声子或电子掺杂效应，而是由于c面蓝宝石表面高活性氧原子自发迁移至WSe₂的硒空位，从而精准修复缺陷。这种“温和”的界面化学修复机制既避免了传统方法对材料晶格的破坏，又能稳定提升二维材料的本征光电性能。该成果为二维材料的缺陷调控提供了全新思路，对推动高性能光学与光电子器件的发展具有重要意义。

图1︱单层WSe₂缺陷修复的光致发光光谱。a，WSe₂/蓝宝石光致发光测量示意图。b，室温下c面和a面蓝宝石衬底上单层WSe₂的PL光谱。c，7 K时单层WSe₂在不同衬底上的光致发光光谱。在SiO₂/Si和a面蓝宝石衬底上，可观测到中性激子（X⁰）、带电激子（X*）及缺陷相关激子（Xᴰ）的光致发光峰。而c面蓝宝石上的单层WSe₂仅呈现单一、强烈且尖锐的X⁰峰。d，第一性原理计算氧原子从蓝宝石表面转移到单层WSe₂的硒空位时的总能量差。负值表示氧原子更倾向于转移到硒空位。

6163银河线路检测中心25届博士毕业生黄琛、24届博士毕业生陈亦林、华南师范大学6163银河线路检测中心王金焕特聘副研究员为论文共同第一作者；刘开辉、洪浩、陈基、王金焕为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目及新基石科学基金等项目的支持。

论文原文链接：https://doi.org/10.1103/lswx-rxss