微型光谱仪，比头发丝还细小，具有双信号光谱重建功能
光谱学广泛应用于材料科学、分析化学和医学成像等领域，用于实时分析和无损检测。传统光谱仪通过光学色散测量每个波长的强度，体积较大，但随着便携性和小型化需求的增加，研究开始采用基于矩阵计算的光谱重建方法。例如，使用成分梯度纳米线和黑磷电子结构设计的片上光谱仪，显著缩小了设备尺寸（占地面积从0.5 × 100 μm²到9 × 16 μm²）并提供了高达15 nm的分辨率。然而，因为传统的光电探测器仅测量对入射光的振幅相关响应，它们的光谱分辨率受到限制。
在这里，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共同展示了可变形二维同质结可用于创建具有双信号光谱重建的微型光谱仪。半浮置二硫化钼同质结表现出巨大的电致伸缩效应，通过该效应可以通过栅极电压产生的面内电场来操纵光生载流子的动力学。通过利用光电响应的幅度和弛豫时间的可调性，双信号响应可以与深度神经网络算法一起使用来重建入射光谱。此双信号显微光谱仪占地面积为20 × 25 μm2，分辨率为1.2nm，光谱波段数为380，与台式光谱仪相当。相关成果以“A microspectrometer with dual-signal spectral reconstruction”为题发表在《Nature Electronics》上，第一作者为Xinchuan Du, Yang Wang, Yi Cui为共同一作。
熊杰教授、赵怡程研究员和崔汉骁研究员
具有电致伸缩效应的可变形二维同质结
在面内电场作用下，漂浮的MoS2单层展现出显著的电致伸缩效应（图1a），通过密度泛函理论模拟证实，这种应变可以将其电子结构从大的直接带隙调整为小的间接带隙（图1b）。该器件通过将MoS2单层转移到预蚀刻的HfO2-SiO2基板U形凹槽上制备，电极配置提供面内电场（图1c）。电场引发浮动区域的晶格变形，形成可调谐的二维同质结（图1d），拉曼映射证实了应变梯度（图1e）。随着电场增强，MoS2单层的光学带隙显著变化，峰值从690 nm移动到775 nm，且该效应在多次循环中高度可逆，表明这种技术可用于大规模阵列探测器的开发。
在增强电场作用下，半浮动MoS2单层的侧视图（图2a）显示出其能带逐渐演变为I型同质结，带隙减小导致长波段光电响应增加（图2b）。由于应变梯度，浮动区的空穴积累减少了电子从缺陷态脱陷的能量，促进了光载流子的快速衰减（图2b）。通过测量一系列脉冲光下的光电响应，发现其弛豫时间和振幅受电场调制，且与波长相关（图2c）。强电场下短波长区域的响应减弱，带隙变化范围为1.8至1.6 eV，对应700至800 nm的响应截止。此设备能够生成两种不同的响应信号：光电流信号和弛豫时间信号，这两者在可调栅极电压下共同构成双信号频谱重建的基础（图3a）。通过机械斩波器和跨导放大器收集这些信号，并使用包络鉴别器和鉴相器转换为光电流和弛豫时间信号（图3b）。与传统光谱仪相比，双信号响应矩阵增加了弛豫时间维度，提高了光谱分辨率。作者通过一个具有五个隐藏层的深度神经网络（DNN）进行信号与频谱的映射训练，使用双信号矩阵重建入射光谱，显示出比单信号更高的分辨率。例如，在单色光下，重建的半峰全宽约为0.6 nm（图3c），二色光的峰值差异为1.2 nm时也能清晰区分（图3d）。总体上，双信号光谱仪在分辨率上与传统厘米级光谱仪甚至一些台式光谱仪相当（图3e）该微型光谱仪经过可靠性测试，能在多种应用场景中表现出色（图4a），其光谱重建与商业光谱仪高度一致。在高速模式下，采集时间可缩短至200ms，仍能精准解码不同波段的光谱，使其成为光通信系统中波分复用的有效解码器（图4b）。此外，微型光谱仪还可应用于生物信息学中的高光谱成像（HSI）显微镜，能够区分人眼无法辨别的颜色细微差异，并获取更多信息（图4c）。其快速测量能力也能用于跟踪化学反应的动力学，如碘钟反应的周期性变化（图4d）。本文报道了一种占地面积仅为20×25 μm²的重构微型光谱仪，利用可调谐光电响应的二维同质结，实现了纳米级光谱分辨率和高波段数。通过双信号光谱重建方法，结合振幅（带隙）和弛豫时间（载流子动力学）的调节，显著提升了光谱分辨率，并降低了响应矩阵的多重共线性。这种电可调同质结兼容大规模高光谱阵列制造，未来可扩展至紫外至红外波段，并提高光谱分辨率至亚1纳米，推动便携式设备、原位表征和芯片实验室的光谱成像发展。--检测服务--
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