PL5和PL6是4H-SiC中备受关注的两种量子色心，兼具近红外发光、室温下高荧光计数率、高读出对比度和优异的电荷稳定性，在量子传感、量子网络和集成量子光子器件中前景突出。然而，它们的原子结构长期未明，制备产率极低，成为规模化应用的关键障碍。本研究利用同位素磁共振指纹和单自旋谱学揭示其原子结构，并将结构认知转化为高效、可控制备的新路径。国际著名科学家Jörg Wrachtrup专文评述，并给予高度评价。
导 读
一块晶体中的原子缺陷，能否成为观察量子世界的“眼睛”？金刚石氮-空位（NV）色心已经给出了肯定答案：它既能充当量子比特，也能在室温下探测纳米尺度的磁场、电场和温度，推动量子信息与量子传感从概念走向应用。近年来，中的多种量子色心相继被发现。与金刚石相比，碳化硅拥有成熟的晶圆级生长、掺杂和微纳加工产业基础，也更容易集成到电子和光子器件中。更特别的是，多种碳化硅色心都可以发射近红外光，在生物组织成像、远距离光子传输和量子网络中具有独特潜力。
在目前已报道的碳化硅色心中，PL5和PL6格外引人注目。室温下，单色心可同时实现数十万每秒的荧光计数率和超过20%的光探测磁共振（）对比度；我们通过实验发现，它们即使位于距表面约2纳米处，仍能保持优异的电荷稳定性和自旋相干性质。这些特性让它们成为近表面量子传感和自旋-光子接口的理想候选者。然而，一个现实瓶颈始终存在：PL5和PL6的制备产率远低于其他空位类色心，难以形成高纯度传感阵列，也难以高效集成到纳米柱和光学微腔中，这限制了其在量子传感和可扩展量子信息中的应用。
图1 研究路线：关联成像、单自旋谱学与第一性原理计算共同锁定PL5/PL6的原子结构，并进一步指导氧离子注入实现高效制备。（论文Graphical Abstract）
一个持续十五年的结构谜题
归根结底，这一制备瓶颈指向一个悬而未决的结构谜题：PL5和PL6到底由哪些原子构成？自2011年被发现以来，由于它们与双空位色心具有相似的光学和自旋性质，长期被笼统归为“双空位变种”（modified divacancies）。在这一结构认识下，先前的制备通常沿用制造双空位的思路，采用氮、碳、氦等离子注入或电子辐照产生空位，但PL5/PL6的形成产率始终很低。此后广为接受的模型进一步认为，它们是受堆垛层错调制的双空位，但仍然缺少决定性的原子尺度证据。
排除层错，氧元素浮出水面
为了检验上述主流模型，研究团队首先将单个PL5/PL6的位置与同一区域的堆垛层错逐点配准。结果发现，有无层错的区域具有相近的色心密度，说明宏观堆垛层错并不是它们形成的必要条件。随后，在相同注入剂量和退火条件下，氧离子注入使PL5和PL6的形成产率相较氮离子注入分别提高11倍和19倍。与过去单纯制造空位的思路不同，这一结果证实了引入氧的必要性，也为后续结构导向的高效制备提供了明确靶点。
图2 层错-色心关联成像显示，PL5/PL6色心的形成不依赖宏观堆垛层错。（论文Fig. 2）
氧同位素留下“六重指纹”
但仅凭产率变化，还不足以对结构中氧的存在“一锤定音”。进一步的突破来自氧同位素留下的磁共振指纹：常见的16O核自旋为0，不产生超精细多重峰；17O核自旋为5/2，如果位于缺陷核心，就会使ODMR谱分裂为六条谱线。如图3所示，实验观测到17O注入制备的PL5和PL6出现了清晰的六重分裂，耦合强度分别为2.50 MHz和3.32 MHz，直接证明氧是PL5和PL6色心的核心组成元素。
图3 17O注入后出现六重超精细分裂，证明氧原子是PL5/PL6缺陷核心。（论文Fig. 3）
从元素指纹到原子构型
锁定氧元素后，研究团队进一步筛选具体的缺陷结构。已有计算表明，在碳化硅氧相关缺陷中，中性的OCVSi同时符合PL5和PL6的自旋态与近红外发光特征，因此成为主要候选。它在4H-SiC中有hh、kk、kh、hk四种可能构型(图4)，但这并不意味着四种都对应本研究观测到的色心。研究团队利用单自旋ODMR、局域13C和29Si核自旋的超精细谱，以及第一性原理计算确定具体属于哪种构型。测量揭示PL5具有之前工作未完全分辨的六个等价取向；对128个PL5中心的核自旋环境进行统计后，多项实验参数共同指向基面kh构型。结合已有零场分裂和超精细耦合信息，PL6则被确定为轴向hh构型。最终，PL5和PL6被分别指认为OCVSi (kh)和OCVSi (hh)，即一个占据碳位的氧原子OC与相邻硅空位VSi组成的复合缺陷。
图4 理论上的四种可能OCVSi构型，根据O和V所占据的位点可分为hh、kk、kh、hk
图5 128个单PL5中心的局域核自旋环境统计与第一性原理结果相互印证，支持PL5对应氧-硅空位复合缺陷的kh构型。（论文Fig. 6D、E）
结构识别打开可控制备之路
由于PL5和PL6色心的具体原子结构水落石出，所以材料相关工程的“靶点”也随之清晰。研究证实，氧离子注入的产率已比常规氮注入高出一个量级。进一步，PL5/PL6的OCVSi“杂质原子-空位”结构提示，其形成的微观过程可能是空位迁移至氧杂质附近并与之结合。因此，定点氧注入或掺杂控制氧的位置就有望调控色心的形成位置；进一步优化注入剂量、退火温度、掺杂和电荷环境，则有望继续提高产率、降低其他杂质浓度，为近表面量子传感阵列和自旋-光子接口提供材料基础。
总结与展望
该研究不仅为高灵敏二维及三维量子传感阵列提供了材料基础，也为将明亮、稳定的近红外自旋色心精准耦合到波导、微腔等纳米光子结构打开了道路。展望未来，碳化硅兼具生物惰性、近红外读出和晶圆级工艺优势，研究团队近期已经利用近表面碳化硅量子传感器将纳米核磁共振推进至单蛋白尺度与单质子核自旋灵敏度，有望用于无损生物成像、自由基检测和单分子核磁共振，并推动量子传感阵列与片上量子光子器件的发展。固态单自旋量子信息领域国际著名科学家Jörg Wrachtrup教授为此撰写题为“Silicon carbide turns quantum”的新闻评述，评价称“作者解决了关于4H-SiC中PL5和PL6中心微观起源这一长期悬而未决的问题”，“对量子传感影响重大”，“这项工作是一项具有高度重要性的成就。它解决了碳化硅缺陷物理中的一个核心问题，将对微观结构的认识直接转化为提升量子器件制造的实际策略。该研究有望激发大量后续工作，并进一步确立碳化硅作为可规模化量子传感、集成量子光子学以及未来量子网络重要平台的地位。”
责任编辑
张世豪 湖南大学
吴育杭 The Innovation