半导体激光器是现代光电子技术的核心器件，但其异质集成一直受制于严苛的晶格匹配要求。二维半导体（如单层二硫化钨）因表面无悬挂键，让无键合异质集成成为可能；而其强激子效应又能在原子级厚度内提供高效光增益，为实现超低阈值纳米激光器开辟了新路径。然而，尽管二维半导体激光器已屡有实验展示，进一步降低激光阈值仍面临两大根本性挑战：一是传统光学微腔难以同时获得超小模式体积和超高品质因子；二是微腔与二维半导体之间的界面会引发强介电屏蔽效应和缺陷辅助非辐射复合，严重抑制了单层材料的激子发光。
针对上述挑战，中国科学院苏州纳米所创新实验室的研究团队另辟蹊径，设计了一种“转角光子晶体纳米腔”，利用其极致的“空气模式”与单层二硫化钨进行异质集成（图1a）。在室温连续光泵浦条件下，该器件展现出稳定的激射行为，激光阈值低至0.03 W/cm2（图1b），刷新了目前二维半导体激光器室温阈值的最低纪录。
图1. 二维半导体激光器的工作原理
该转角光子晶体纳米腔的构造方式如下：在单层氮化硅薄膜上构建两个有限大小的六方光子晶体，并使二者以选定角度相对扭转（图1c）。这一扭转操作使得晶胞的空气填充率从中心到边缘沿径向呈现准连续的梯度变化（图1d），进而形成一套径向渐变的能带间隙（图1e）。该渐变带隙可理解为一组精密嵌套的同心圆反射镜，将特定模式的光场高度局域在中心空气区域，形成极致的“空气模式”（图1f）。在此构型中，光场绝大部分被约束在空气内，与悬浮于空气孔中的单层二硫化钨激子形成高效空间重叠，从而使激子在悬空区域高效发光，彻底规避了介质界面带来的介电屏蔽与非辐射复合猝灭。与此同时，该纳米腔实现了仅0.36 (λ
)3的超小模式体积和高达十万量级的仿真品质因子（图1g）。最终，单层二硫化钨在室温连续波泵浦下，以0.03 W/cm2的极低功率密度实现激射（图1b），刷新了二维半导体激光器的阈值纪录，为超低功耗片上光源的发展开辟了全新路径。
相关成果以Twist Engineering of Photonic Crystal Cavities for Ultralow-Threshold Continuous-Wave WS2 Nanolasers at Room Temperature为题，发表于Advanced Materials。中国科学院苏州纳米所陈玉华博士为论文第一作者，张凯研究员和张兴旺研究员为论文通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省科学技术厅和苏州市科学技术局等项目的资助，同时得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）及纳米加工平台的支持。
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