01 導讀

近日，北京工業大學張永哲教授團隊與美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授團隊、新加坡南洋理工大學王岐捷教授團隊合作，提出了一種基于電場調控層間激子光吸收的超微型光譜儀（特征尺寸10μm以下），實現了片上近紅外光譜測量與重構。

相關成果以“Electrically tunable two-dimensional heterojunctions for miniaturized near-infrared spectrometers”為題于2022年8月8日發表在Nature Communications上。

02 研究背景

? 光譜儀是實現光譜信息測量的基本儀器，通過光譜分析可以實現物質成分鑒別、存在狀態以及化學組成分析，因此被廣泛應用于天文物理、空間遙感、農業種植、大氣研究、礦物分析、工程冶金、環境保護、醫療藥物、光譜成像等眾多領域。 傳統光譜儀通常由復雜的干涉儀或分光系統、探測器等模塊組成，這導致傳統光譜儀具有體積大、質量重、成本高、便攜性差等問題，難以滿足快速增長的便攜式、片上互聯集成等需求。因此，亟需開發研究微型光譜儀，進而克服傳統光譜儀的局限。

03研究創新點

該研究團隊開發出一款超微型的片上計算型近紅外光譜儀，該光譜儀的特征尺寸小于10μm。簡言之，即在不到頭發絲直徑長度的尺寸下，實現了傳統具有幾十厘米尺寸的臺式光譜儀的光譜測量功能與重構功能。

該光譜儀由單個電可調控的范德華異質結光電探測器構成（如圖1所示）。特別地，在能帶工程指導下，構建了Type Ⅱ異質結，其優點在于具有可設計能量大小的層間激子能級，且該能級易受外場調控從而實現不同特征入射光譜的捕獲。因此，在開發無需空間分光的超微型光譜儀方面具有潛在優勢。

圖1 光譜儀結構設計與光響應機理

然而，由于層間激子導帶底和價帶頂的波函數的空間離域，導致范德華異質結層間激子的波函數重疊減小，進而使其躍遷偶極矩比常規的層內激子的偶極矩小幾個數量級，阻礙了光電信號的探測。 因此，該團隊創新性地提出了金屬原子離域增強范德華異質結層間激子躍遷偶極矩的新思路來增強光吸收，這得益于重金屬原子所具有的離域性較強的外層電子軌道。以ReS2和WSe2的組合為例，構建了初始層間激子躍遷能量理論上約為1eV的范德華異質結構，通過上述金屬插層的辦法，成功將范德華異質結的層間激子光吸收提升近2倍。 通過電場調控的方法對其進行能級調控，在ReS2/Au/WSe2范德華異質結光電探測器中獲得了可調截止波長的近紅外光電響應特性（1.15~1.47μm）。因而建立了與入射波長、柵極電壓相關的器件響應度矩陣，并以此可調諧的光譜響應特性作為器件標度。 當未知入射光照射時，基于不同柵電壓下探測到的光電流數據向量和已知器件標度，利用嶺回歸數學算法對其光譜信息進行還原，實現了光譜重構與成像。重構光譜與傳統商用臺式光譜儀所測量的光譜具有較高的一致性（如圖2所示）。

圖2光譜儀應用演示

由于超小特征尺寸、簡單制造工藝以及與傳統集成電路工藝的良好兼容性，具有可設計帶隙能量、強化光響應的范德華異質結構為片上微型光譜儀的開發提供了一種有吸引力的解決方案（如圖3所示）。

圖3 不同技術路線實現的微型光譜儀參數對照

04 總結與展望

該團隊基于金屬插層的范德華異質結增強電子態空間離域的方式實現層間激子光吸收的增強，并進一步通過電場調控范德華異質結層間激子能級的方式實現了計算型片上超微型近紅外光譜儀。 該工作由北京工業大學、加州大學洛杉磯分校以及南洋理工大學合作完成，北京工業大學張永哲教授和加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授為共同通訊作者，北京工業大學鄧文杰博士、鄭子龍副教授、李菁楨助理研究員為論文共同第一作者。北京工業大學為第一完成單位。研究工作得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金的大力支持。

論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32306-z

審核編輯 ：李倩