Photonics Research 2024年第8期On the Cover：
纳米光学温度测量技术在材料科学、生物光子学和半导体工程领域已取得显著进展。尽管基于量子点和荧光染料等的传统感测方法在微观尺度温度检测中已得到广泛应用，但因其依赖于复杂技术如光探测磁共振和光谱分析，导致测量速度、精度及抗干扰性受到限制。因此，亟需开发更简单高效的温度测量方法来同时提升测量速度和精度。该封面文章提出了一种基于碳化硅量子缺陷的创新温度测量技术。研究团队利用4H-SiC材料中的硅空位和双空位色心，通过980 nm激光激发并测量反斯托克斯与斯托克斯发射的强度比，在碳化硅平台下实现了最高相对灵敏度的实时温度传感。该方法仅涉及光信号的产生与传输，无需测谱，显著提高了测量准确性。鉴于碳化硅在集成电路和半导体行业中的广泛应用，该方案为光学测温技术在集成器件或者芯片行业的应用提供了新思路。
为此，哈尔滨工业大学（深圳）宋清海教授、周宇教授团队基于碳化硅量子缺陷，通过激发样品并监测反斯托克斯和斯托克斯发射的强度比值，利用强度比值对温度的强依赖性，实现了实时的高灵敏度温度传感（1.06%K-1）。该实验中只存在光信号的产生与传输，具有无接触、无干扰的特性，保证了测量的准确性。相关成果以“All-optical nanoscale thermometry with silicon carbide color centers”为题发表于Photonics Research 2024年第8期，被遴选为封面文章。
色心是固体晶格结构中的缺陷形成的量子光源，当色心受到特定的外部激光激发，其内部电子的跃迁会以光子的形式释放能量。在这项工作中，研究人员选用了具有两种色心的碳化硅样品，分别是4H-SiC硅空位色心以及双空位色心，使用980 nm的连续激光同时激发两种色心，获得反斯托克斯荧光和斯托克斯荧光强度比值的同时改变温度，并基于强度比值随温度的灵敏变化，提出了一种实时温度传感的实验方案。
图1（a）是样品激发示意图，利用980 nm连续激光激发4H-SiC双空位与硅空位。双空位中心的零声子线（ZPL）发射范围通常为1038 nm至1133 nm，这种荧光光子能量小于激发光的发射被称为斯托克斯发射，在室温下声子边带发射通常占主导地位；而样品中硅空位发出的光子能量大于激发光能量，这种发射被称为反斯托克斯发射。在反斯托克斯荧光机制中，激光光子能量小，需要吸收声子能量完成跃迁。而声子密度和温度联系紧密，因此反斯托克斯发射和斯托克斯发射和温度之间也有密切的联系，这是温度传感的基本机制。该实验的光路装置示意图如图1（b）所示，通过搭建共聚焦显微镜系统对样品进行光学激发与荧光信号收集。
图1 4H-SiC中两种色心的反斯托克斯和斯托克斯荧光发射的表征：（a）激发和发射示意图：用980 nm激光同时激发硅空位和双空位，能级图描绘了反斯托克斯和斯托克斯发射期间的声子吸收和发射过程；（b）光学装置示意图；（c）硅空位和双空位的光致发光光谱；（d）自旋微波操纵图；（e）反斯托克斯激发下硅空位中心的ODMR光谱；（f）PL5和PL6在磁场0-30高斯变化下的ODMR谱
图2（a）是实验中的变温装置示意图。该实验采用单级TEC元件加热样品，样品附着在陶瓷片上，并通过对TEC模块施加电压来加热。将电压从0 V增加到16 V，温度从296 K升高到463 K，并测量这一过程中硅空位色心和双空位色心荧光强度随温度的变化。为了保证结果的可靠性，该实验选用反斯托克斯荧光与斯托克斯荧光的比值随温度的变化来实现温度传感，图2（d）展示了强度比值随温度的变化的拟合图像，结果表明比值对温度呈现高依赖性，体现了温度传感的基本原理，且从中可以提取出该温度传感的相对灵敏度为1.06%K-1。
图2 反斯托克斯和斯托克斯发射的表征：（a）温度变化装置的示意图和照片，样品附着在陶瓷片上，通过向TEC模块施加电压来加热；（b）硅空位反斯托克斯荧光的温度依赖性；（c）斯托克斯荧光随温度的变化；（d）反斯托克斯与斯托克斯荧光计数比率的温度依赖性
该工作在纳米级温度探测技术上取得了突破，利用固态量子缺陷的反斯托克斯和斯托克斯荧光强度比来展现温度的变化，克服了装置的不便、微波引入带来的热干扰、复杂的光谱分析等局限性，同时克服了传统基于缺陷的双激光激发、引入微波、复杂光谱分析的测温方案局限性，加上碳化硅材料本身在集成电路以及半导体行业的广泛应用场景，该方案为将光学测温技术集成到半导体制造中提供了思路。
周宇，哈尔滨工业大学（深圳）青年拔尖教授，博士生导师，第九届中国科协青年托举人才。主要研究方向为碳化硅光量子器件和芯片、量子光源等。本科毕业于西安交通大学，博士毕业于新加坡南洋理工大学，师从高炜博教授。曾任腾讯量子实验室高级研究员，以第一作者或共同一作在Nature Communications（3篇）、Science Advances等杂志发表多篇文章，其中氮化镓室温通讯波段量子光源工作被Nature Nanotechnology亮点报道。担任Chip、Chinese Optics Letters 青年编委并获得2019年国家优秀自费留学生奖、2020年福布斯30岁以下科技精英榜（30 Under 30）等荣誉。
刘成颖，哈尔滨工业大学（深圳）理学院硕士生。研究方向为碳化硅量子光源的光场调控。
胡海搏，哈尔滨工业大学（深圳）电子与信息工程学院博士生，主要研究方向为碳化硅单色心的自旋操控。
王俊峰，四川大学研究员，博士生导师。长期从事碳化硅色心量子信息实验方面的研究，在碳化硅色心的单色心制备与观测、量子调控、量子精密测量方面取得了一系列成果。目前共发表SCI论文45篇，其中第一作者或通讯作者论文26篇，包括Nature Materials 1篇、Nature Communications 2篇、Physical Review Letters 1篇等，论文总引用1560余次（谷歌学术），h因子24。主持国家级青年人才项目，国家自然科学基金面上项目和青年基金各一项。
宋清海，哈尔滨工业大学（深圳）教授，博士生导师，集成电路学院院长，国家杰出青年基金获得者。带领团队针对微型激光的出射、模式控制及其在通信和传感上的应用展开系统研究，获得光场调控领域的新机制与新方法，并拓展了微纳结构的新应用。相关研究成果以通讯作者或第一作者在Science（3篇）、Nature Materials、 Nature Nanotechnology、Physical Review Letters、Nature Communications、Science Advances等国际期刊上发表论文近60篇。成果3次入选“中国光学十大进展”，1次入选美国光学学会Optics in 2020，1次入选自然科学基金委年度优秀资助成果。获得教育部首届卓越青年研究生导师奖、科学探索奖等荣誉。
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