Nat. Electron.：具有双信号光谱重建功能的微型光谱仪

【研究背景】

光谱学在许多领域被用于实时分析和无损采样，包括材料科学、分析化学和医学成像。传统的光谱仪是基于光色散原理，结合光学元件来测量每个波长的强度。由于这些组件的线性尺寸决定了光谱分辨率，因此它们往往体积庞大。在需要便携性、小尺寸和低成本的应用中，需要高度集成、小型化的光谱仪。尽管小型化重构光谱仪取得了一定的进展，但其分辨性能仍不能与传统的色散光谱仪相媲美。光电探测器对入射光产生振幅相关的响应，用于重建原始光谱。光电探测器阵列或状态的有限数量导致这种光谱仪能够产生的波长相关响应矩阵的尺寸受到限制。为解决这一挑战，电子科技大学熊杰教授、赵怡程研究员和四川大学崔汉骁研究员等两单位合作，携手共同在“Nature Electronics”期刊上发表了题为“A microspectrometer with dual-signal spectral reconstruction”的最新论文。研究人员提出了利用可变形二维同质结来构建微型光谱仪的方案。

【成果简介】

研究报道了一个基于光电探测器的重构光谱仪，其尺寸大小为20 × 25µm²，基于可变形的半浮动二维(2D)同质结，具有可调谐的光电响应振幅和弛豫时间。该光谱仪包含一层二硫化钼(MoS₂)转移到具有预蚀刻垂直凹槽的衬底上。二硫化钼单层的浮动部分具有巨大的电伸缩效应，可以调节材料的带隙和载流子动力学。典型的基于光电探测器的重构光谱仪由于带隙变化而只能调制振幅响应时，这种结构能够同时调制振幅和弛豫时间。利用小型化光谱仪的双信号响应，训练深度神经网络(DNN)算法重建分辨率为1.2 nm、频带数为380的入射光谱，接近于传统台式光谱仪的性能。    

【突出亮点】

（1）研究首次采用可变形的二维同质结构，开发出了一种新型微型光谱仪，该光谱仪具备双信号光谱重构的能力。通过精确控制二维半悬浮的MoS2同质结构的带隙以及载流子的运动特性，实现了对光电探测器响应强度和恢复时间的独立调控。这一突破性进展有效克服了传统光电探测器只能依靠单一响应幅度的限制，为光谱分析技术的发展开辟了新的可能性。    

图1 可变形二维同质结的结构与性质

图2 栅极可调谐二维同质结的光电响应机理及特性

（2）该微型光谱仪包含一个单层MoS2，其悬浮部分在平面电场作用下展现出巨大的电致伸缩效应，能够调节材料的带隙和载流子动力学。与传统的光电探测器仅依赖幅度响应不同，这种结构能够同时调制幅度和弛豫时间。利用这种微型光谱仪产生的双信号响应，结合深度神经网络(DNN)算法，可以重建入射光谱，实现1.2纳米的高分辨率和380的光谱波带数。与传统的仅包含幅度信息的光电响应矩阵相比，这种包含额外弛豫时间信息的双信号响应矩阵能够显著提高光谱重建的分辨率，并且由于其物理机制的不同，对外部刺激的响应更为敏感，同时保持与常规光谱仪相似的运行速度和功耗。    

图3 利用栅可调谐二维同质结进行双信号频谱重建

（3）通过对器件材料的带隙和载流子动力学的调节，能够同时控制光电流响应的幅度和弛豫时间，从而生成两个独立的信号，为光谱重建提供了更为丰富的信息。这种双信号响应策略不仅提高了光谱重建的分辨率，而且通过深度神经网络（DNN）算法的训练，能够精确地重建入射光谱。文章指出，这种基于门可调谐二维同质结的微型光谱仪在尺寸、分辨率和光谱波带数上都达到了与台式光谱仪相媲美的水平，展示了其在便携式设备、现场检测和芯片实验室等应用中的潜力。    

图4 光谱仪的实际应用

【未来展望】

本研究利用双信号光谱重建方法实现了高光谱分辨率，该方法利用了同质结的光电响应特征，其中带隙(振幅)和载流子动力学(弛豫时间)可以通过平面内电场进行调谐，这是由于漂浮的MoS2单层中存在巨大的电伸缩效应。该方法的优点在于具有对偶采样深度，减少了响应矩阵的多重共线性。同时，电可调谐的同质结兼容大规模高光谱阵列的制造和集成。在未来，通过结合各种二维半导体和调制策略，可以将波长范围从紫外扩展到红外，光谱分辨率提高到1nm以下。这种微型光谱仪可以帮助加速便携式设备、原位表征和芯片实验室设备的先进光谱成像的发展。    

【文章信息】

Du, X., Wang, Y., Cui, Y. et al. A microspectrometer with dual-signal spectral reconstruction. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01242-9 

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