1.中科院半导体所在二维阵列激光器方面取得重要进展；

2.中科院苏州纳米所张兴旺团队Sci. Adv. ：二维半导体转角异质光子晶体；

3.大连理工梁红伟团队在OVPE外延Ga2O3厚膜及缺陷形成机理研究方向取得新进展；

4.中国科大实现基于金刚石量子传感的并行加速电子顺磁共振谱学探测

1.中科院半导体所在二维阵列激光器方面取得重要进展

垂直腔面发射激光器（VCSEL）凭借其低阈值、圆形光斑、单纵模、低温漂系数、高可靠性及易于二维集成的优点，广泛应用于泵浦源、消费电子、3D传感、医疗美容等多个领域。然而，传统VCSEL在输出功率方面存在一定的局限，为提高功率，通常采用增大氧化孔径、多结结构以及扩大阵列规模等方法。这些手段虽然能够增加输出功率，但却导致发散角增大和横模变为高阶模等问题，进而使光束质量（Beam Parameter Product，BPP）下降，最终导致亮度急剧降低。因此，高功率与高光束质量之间的制约，成为了VCSEL技术发展的核心难题之一，也极大地限制了其在激光雷达、空间光通信等需要高亮度光源的远程探测与照明系统中的应用。

为解决这一瓶颈，中国科学院半导体研究所固态光电信息技术实验室郑婉华院士团队联合中国科学院大学等单位，创新性地提出二维固态激光阵列（SSLA）解决方案。该技术通过将大尺寸高功率VCSEL阵列与薄型Nd:YVO4激光晶体直接集成，构建出紧凑型二维面阵激光器结构，在实现功率等比扩展的同时能显著提升光束质量。实验数据显示，这款3×3 mm2 的SSLA阵列在1 μm中心波长下，单脉冲能量达4.7 mJ，光光转换效率52%，面光源亮度高达1.27 kW·cm-2·sr-1，较传统VCSEL阵列提升近三个数量级。其创新性体现在：①各发光单元保持M2<1.5的优异光束质量；②继承VCSEL阵列的固有激光发射阵列模式；③突破功率扩展与光束退化的传统矛盾。这种“高功率-高亮度-高集成"三位一体的技术突破，为远程探测系统提供了轻量化的高亮度光源解决方案。此外，这项二维固态激光阵列技术的突破，不仅为传统应用领域的进一步发展开辟了新的可能，也为高速数据传输、三维成像、精密测距等新兴领域的应用奠定了技术基础。在未来，随着技术的不断成熟，面阵激光源的可芯片化设计将成为激光技术发展的重要方向，推动激光技术向更高效、更紧凑的未来迈进。

该研究成果以“Scaled-up 2D Solid-State Laser Array”为题，发表于Optics Letters（《光学快报》），并被选为Editor's pick（“编辑精选”）。半导体所博士生张妮慧和国科大单珍娇为论文共同第一作者，渠红伟研究员、周旭彦副研究员和齐爱谊副研究员做出了重要贡献。该工作得到了郑婉华院士的悉心指导和国家重点研发计划项目的支持。

图1 二维固体激光阵列图片

图2 二维固体激光阵列近场光束图像

图3 单点阵激光源光束质量测试结果

（文章来源：中国科学院半导体研究所）

2.中科院苏州纳米所张兴旺团队Sci. Adv. ：二维半导体转角异质光子晶体

二维半导体因其原子级厚度和独特的光电特性，被视为下一代光电子器件的关键候选材料之一。由于二维半导体通过层间范德华力结合，单层二维半导体可被轻易剥离并以垂直堆叠方式构建成人工异质结构。这种二维半导体异质结构不仅能融合各层二维半导体的激子特性，还可以通过改变层间扭转角度产生具有转角依赖特性的新型激子态。另一方面，如何控制发光方向对半导体发光器件有重要意义。一般而言，实现定向发光需要光学谐振与发光介质在近场相互作用，进而将光辐射至远场。然而，由于二维半导体自身缺乏光学谐振，必须依赖外部光学谐振腔与之集成。因此，目前调控激子发射方向的方案多是基于各类人工纳米光子结构（如纳米天线和光子晶体）与二维半导体集成。尽管这些外部光学谐振腔可通过腔内电场或倏逝场增强光与激子的相互作用，但介质材料与二维半导体的接触界面可能会引入n型掺杂或导致缺陷辅助的非辐射复合，抑制激子发光。另外，所集成的介质材料会产生强介电屏蔽效应，显著降低层间激子的结合能，进而严重抑制层间激子的发光。

针对上述科学问题，中国科学院苏州纳米所张兴旺团队提出了一种创新方案——自耦合光子晶体谐振技术。如图1所示，通过在悬空的双层WS2/WSe2上直接构建光子晶体结构，一方面完全消除了传统集成中的界面接触问题，另一方面也将材料的环境介电常数降至最低(1.0)，有效地减弱了介电屏蔽效应从而提升了激子结合能。同时，原子层级光子晶体结构所产生的导模谐振还可以增强激子发光的Purcell因子和光提取效率。另外，通过调节激发光能量，可选择性地激发特定激子。最后，凭借其固有的角色散特性，光子晶体可根据激子发光能量，实现激子发光在能量-动量空间的分选。该方法有望应用于研究二维半导体莫尔超晶格中的激子调控。

图1. 悬空的原子层级WS₂/WSe₂转角异质光子晶体中的激子发光在能量-动量空间的分选

该工作以 Directional sorting of exciton emissions from twisted WS2/WSe2 hetero-bilayers using self-coupled photonic crystal resonances 为题发表在 Science Advances 上。中国科学院苏州纳米所博士后陈玉华为论文第一作者，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、国家自然科学基金等项目的支持，同时也得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）、纳米加工平台的支持。（文章来源：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所）

3.大连理工梁红伟团队在OVPE外延Ga2O3厚膜及缺陷形成机理研究方向取得新进展

近日，大连理工大学集成电路学院梁红伟教授课题组在OVPE外延Ga2O3厚膜及缺陷形成机理研究方向取得新进展，以OVPE外延方法在（010）面实现10μm以上Ga2O3厚膜，并通过分析Ga2O3外延成核机制构建了位错线形成的三维模型，解释了具有角度和指向性位错线的形成机制。相关研究成果以“The three dimensional model of extended defects

in β-Ga2O3 homoepitaxial film”为题发表于Applied Physics Letter并作为当期的Featured article。

目前，Ga2O3存在厚膜外延难度大、外延层中具有角度和指向性位错线的形成机制不明的问题。针对上述问题，梁红伟教授课题组首先通过采用Oxide vapor phase epitaxy

(OVPE)的方法在（010）面上实现10μm以上Ga2O3厚膜。相较于其他方法，OVPE方式具有生长速度快（≥10μm/h），成膜质量高并且设备成本低等优势。通过分析（010）面的外延形貌并构建缺陷形成的三维模型发现，从[100]方向观察到的与(001)平面成约60度角的位错线源于纳米管的 (100) 主面与准四面体区域的(11-1)平面之间的交线，具有1/2<1-12>、1/2<1-32>和<101>博格斯矢量方向的位错线是纳米空洞的（-201）和（101）短边面与（111）和（-111）面相交形成的。而锯齿形蚀刻坑的出现可以通过在各缺陷位置经过各向异性湿法蚀刻后暴露的两个侧面(111)或(1-11)面以及(100)面的中央核心来解释。

图1. (a)OVPE法外延Ga2O3厚膜AFM图；(b) Ga2O3厚膜SEM图

图2. 具有指向性位错线形成的三维模型图

大连理工大学集成电路学院博士生王紫石为论文第一作者，张赫之副教授为论文通讯作者，梁红伟教授和香港科技大学黄文海教授为论文合作者。（文章来源：大连理工大学集成电路学院 ）

4.中国科大实现基于金刚石量子传感的并行加速电子顺磁共振谱学探测

中国科学技术大学自旋磁共振实验室石发展、孔飞等人开发了基于金刚石量子传感的并行加速电子顺磁共振（ElectronParamagneticResonance, EPR）谱学方法，实现了自由基光化学反应动态过程的实时监测。这项成果最近以“Parallel Accelerated Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy Using Diamond Sensors”为题，发表在《物理评论快报》上。

金刚石氮-空位（NV）色心具有纳米尺度的单自旋EPR探测能力，但单自旋检测通常耗时较长而难以观测EPR谱的动态变化过程。为解决上述问题，研究团队在前期所发展的零场磁共振技术[Nat.Commun.9，1563（2018）,Sci.Adv.6，eaaz8244（2020）]和原位磁共振技术[Nat.Commun.14，6278（2023）]的基础上，开发了对目标待测自旋分子朝向、NV色心朝向、操控场均匀性以及目标自旋弛豫时间（即T1时间）均具有高容忍度的磁共振检测技术，从而可以利用金刚石表面大量NV色心和待测自旋实现高效并行地检测（如图1所示）。该技术方法中，零场技术用于消除目标自旋的取向依赖性谱线展宽，原位技术通过幅度调制微波序列同步调控大规模NV系综的响应频率，交叉弛豫式探测技术用于提升并行测量灵敏度。当前用17微米尺度范围内NV色心实现对纳米厚度自由基信号的检测，可以达到0.1秒的探测时间精度，该方法后续可以利用更大的如毫米尺度NV系综体系进一步提升探测效率。

图1：并行加速探测方案。（a）金刚石NV色心探测电子自旋示意图。（b）交叉弛豫探测原理示意图。（c）基于交叉弛豫的EPR谱学探测原理示意图。

基于上述方法，研究人员展示了生物化学领域常用的自旋标签氮氧自由基的零场超精细谱。受益于并行探测方法的高效性，谱线的时间变化信息能够被提取出来，实时观察到自由基EPR谱的动态变化过程，包括信号峰面积逐渐减小、信号峰宽逐渐变窄（如图2所示）。对该现象的进一步研究发现，EPR信号衰减速率所照射的光功率密度基本呈线性依赖关系，证明了这一动态变化由光化学反应引起。

图2：氮氧自由基EPR谱动态变化。（a）谱线实时监测结果。（b）光淬灭过程示意图。（c）信号峰面积的时间依赖曲线。（d）信号峰宽的时间依赖曲线

该成果为在纳米尺度层厚的二维界面上高速并行探测电子自旋提供了新的谱学技术手段，有助于探测二维材料中的低丰度顺磁自旋，有助于为研究界面上有自由基参与的生物化学反应提供实时谱学信息，指导相关自旋标签探针的光淬灭机制的研究，有助于单分子实验自旋标签的前期筛选与优化。

博士生黄哲华与赵正泽为论文共同第一作者，孔飞研究员与石发展教授为通讯作者。此项研究受到国家自然科学基金委、中国科学院、科技部、新基石科学基金会等资助。（文章来源：中国科学技术大学）