【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】半導(dǎo)體激光器是現(xiàn)代光電子技術(shù)的核心器件，但其異質(zhì)集成一直受制于嚴(yán)苛的晶格匹配要求。二維半導(dǎo)體(如單層二硫化鎢)因表面無懸掛鍵，讓無鍵合異質(zhì)集成成為可能；而其強(qiáng)激子效應(yīng)又能在原子級厚度內(nèi)提供高效光增益，為實(shí)現(xiàn)超低閾值納米激光器開辟了新路徑。然而，盡管二維半導(dǎo)體激光器已屢有實(shí)驗(yàn)展示，進(jìn)一步降低激光閾值仍面臨兩大根本性挑戰(zhàn)：一是傳統(tǒng)光學(xué)微腔難以同時獲得超小模式體積和超高品質(zhì)因子；二是微腔與二維半導(dǎo)體之間的界面會引發(fā)強(qiáng)介電屏蔽效應(yīng)和缺陷輔助非輻射復(fù)合，嚴(yán)重抑制了單層材料的激子發(fā)光。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院蘇州納米所創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，設(shè)計(jì)了一種“轉(zhuǎn)角光子晶體納米腔”，利用其極致的“空氣模式”與單層二硫化鎢進(jìn)行異質(zhì)集成。在室溫連續(xù)光泵浦條件下，該器件展現(xiàn)出穩(wěn)定的激射行為，激光閾值低至0.03 W/cm2，刷新了目前二維半導(dǎo)體激光器室溫閾值的最低紀(jì)錄。
 

　　該轉(zhuǎn)角光子晶體納米腔的構(gòu)造方式如下：在單層氮化硅薄膜上構(gòu)建兩個有限大小的六方光子晶體，并使二者以選定角度相對扭轉(zhuǎn)。這一扭轉(zhuǎn)操作使得晶胞的空氣填充率從中心到邊緣沿徑向呈現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)的梯度變化，進(jìn)而形成一套徑向漸變的能帶間隙。該漸變帶隙可理解為一組精密嵌套的同心圓反射鏡，將特定模式的光場高度局域在中心空氣區(qū)域，形成極致的“空氣模式”。在此構(gòu)型中，光場絕大部分被約束在空氣內(nèi)，與懸浮于空氣孔中的單層二硫化鎢激子形成高效空間重疊，從而使激子在懸空區(qū)域高效發(fā)光，徹底規(guī)避了介質(zhì)界面帶來的介電屏蔽與非輻射復(fù)合猝滅。與此同時，該納米腔實(shí)現(xiàn)了僅0.36 (λ/n)3的超小模式體積和高達(dá)十萬量級的仿真品質(zhì)因子。最終，單層二硫化鎢在室溫連續(xù)波泵浦下，以0.03 W/cm2的極低功率密度實(shí)現(xiàn)激射，刷新了二維半導(dǎo)體激光器的閾值紀(jì)錄，為超低功耗片上光源的發(fā)展開辟了全新路徑。
 

　　相關(guān)成果以Twist Engineering of Photonic Crystal Cavities for Ultralow-Threshold Continuous-Wave WS2 Nanolasers at Room Temperature為題，發(fā)表于Advanced Materials。中國科學(xué)院蘇州納米所陳玉華博士為論文第一作者，張凱研究員和張興旺研究員為論文通訊作者。該研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省科學(xué)技術(shù)廳和蘇州市科學(xué)技術(shù)局等項(xiàng)目的資助，同時得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站(Nano-X)及納米加工平臺的支持。
 

　　引用：蘇州納米所創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室在超低閾值二維半導(dǎo)體激光器方面取得新進(jìn)展 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 【引用時間：2026年7月24日】