蘇州納米所創新實驗室在超低閾值二維半導體激光器方面取得新進展

　　【儀表網 研發快訊】半導體激光器是現代光電子技術的核心器件，但其異質集成一直受制于嚴苛的晶格匹配要求。二維半導體(如單層二硫化鎢)因表面無懸掛鍵，讓無鍵合異質集成成為可能；而其強激子效應又能在原子級厚度內提供高效光增益，為實現超低閾值納米激光器開辟了新路徑。然而，盡管二維半導體激光器已屢有實驗展示，進一步降低激光閾值仍面臨兩大根本性挑戰：一是傳統光學微腔難以同時獲得超小模式體積和超高品質因子；二是微腔與二維半導體之間的界面會引發強介電屏蔽效應和缺陷輔助非輻射復合，嚴重抑制了單層材料的激子發光。
 

　　針對上述挑戰，中國科學院蘇州納米所創新實驗室的研究團隊另辟蹊徑，設計了一種“轉角光子晶體納米腔”，利用其極致的“空氣模式”與單層二硫化鎢進行異質集成。在室溫連續光泵浦條件下，該器件展現出穩定的激射行為，激光閾值低至0.03 W/cm2，刷新了目前二維半導體激光器室溫閾值的最低紀錄。
 

　　該轉角光子晶體納米腔的構造方式如下：在單層氮化硅薄膜上構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。這一扭轉操作使得晶胞的空氣填充率從中心到邊緣沿徑向呈現準連續的梯度變化，進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域，形成極致的“空氣模式”。在此構型中，光場絕大部分被約束在空氣內，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域高效發光，徹底規避了介質界面帶來的介電屏蔽與非輻射復合猝滅。與此同時，該納米腔實現了僅0.36 (λ/n)3的超小模式體積和高達十萬量級的仿真品質因子。最終，單層二硫化鎢在室溫連續波泵浦下，以0.03 W/cm2的極低功率密度實現激射，刷新了二維半導體激光器的閾值紀錄，為超低功耗片上光源的發展開辟了全新路徑。
 

　　相關成果以Twist Engineering of Photonic Crystal Cavities for Ultralow-Threshold Continuous-Wave WS2 Nanolasers at Room Temperature為題，發表于Advanced Materials。中國科學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研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省科學技術廳和蘇州市科學技術局等項目的資助，同時得到了中國科學院蘇州納米所納米真空互聯實驗站(Nano-X)及納米加工平臺的支持。
 

　　引用：蘇州納米所創新實驗室在超低閾值二維半導體激光器方面取得新進展 蘇州納米技術與納米仿生研究所 【引用時間：2026年7月24日】