基于電場(chǎng)調(diào)控層間激子光吸收的超微型光譜儀

01 導(dǎo)讀

近日，北京工業(yè)大學(xué)張永哲教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授團(tuán)隊(duì)、新加坡南洋理工大學(xué)王岐捷教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種基于電場(chǎng)調(diào)控層間激子光吸收的超微型光譜儀（特征尺寸10μm以下），實(shí)現(xiàn)了片上近紅外光譜測(cè)量與重構(gòu)。

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

02 研究背景

? 光譜儀是實(shí)現(xiàn)光譜信息測(cè)量的基本儀器，通過(guò)光譜分析可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)成分鑒別、存在狀態(tài)以及化學(xué)組成分析，因此被廣泛應(yīng)用于天文物理、空間遙感、農(nóng)業(yè)種植、大氣研究、礦物分析、工程冶金、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療藥物、光譜成像等眾多領(lǐng)域。 傳統(tǒng)光譜儀通常由復(fù)雜的干涉儀或分光系統(tǒng)、探測(cè)器等模塊組成，這導(dǎo)致傳統(tǒng)光譜儀具有體積大、質(zhì)量重、成本高、便攜性差等問(wèn)題，難以滿足快速增長(zhǎng)的便攜式、片上互聯(lián)集成等需求。因此，亟需開(kāi)發(fā)研究微型光譜儀，進(jìn)而克服傳統(tǒng)光譜儀的局限。

03研究創(chuàng)新點(diǎn)

該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一款超微型的片上計(jì)算型近紅外光譜儀，該光譜儀的特征尺寸小于10μm。簡(jiǎn)言之，即在不到頭發(fā)絲直徑長(zhǎng)度的尺寸下，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)具有幾十厘米尺寸的臺(tái)式光譜儀的光譜測(cè)量功能與重構(gòu)功能。

該光譜儀由單個(gè)電可調(diào)控的范德華異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器構(gòu)成（如圖1所示）。特別地，在能帶工程指導(dǎo)下，構(gòu)建了Type Ⅱ異質(zhì)結(jié)，其優(yōu)點(diǎn)在于具有可設(shè)計(jì)能量大小的層間激子能級(jí)，且該能級(jí)易受外場(chǎng)調(diào)控從而實(shí)現(xiàn)不同特征入射光譜的捕獲。因此，在開(kāi)發(fā)無(wú)需空間分光的超微型光譜儀方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。

圖1 光譜儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光響應(yīng)機(jī)理

然而，由于層間激子導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)牟ê瘮?shù)的空間離域，導(dǎo)致范德華異質(zhì)結(jié)層間激子的波函數(shù)重疊減小，進(jìn)而使其躍遷偶極矩比常規(guī)的層內(nèi)激子的偶極矩小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，阻礙了光電信號(hào)的探測(cè)。 因此，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了金屬原子離域增強(qiáng)范德華異質(zhì)結(jié)層間激子躍遷偶極矩的新思路來(lái)增強(qiáng)光吸收，這得益于重金屬原子所具有的離域性較強(qiáng)的外層電子軌道。以ReS2和WSe2的組合為例，構(gòu)建了初始層間激子躍遷能量理論上約為1eV的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)上述金屬插層的辦法，成功將范德華異質(zhì)結(jié)的層間激子光吸收提升近2倍。 通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控的方法對(duì)其進(jìn)行能級(jí)調(diào)控，在ReS2/Au/WSe2范德華異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器中獲得了可調(diào)截止波長(zhǎng)的近紅外光電響應(yīng)特性（1.15~1.47μm）。因而建立了與入射波長(zhǎng)、柵極電壓相關(guān)的器件響應(yīng)度矩陣，并以此可調(diào)諧的光譜響應(yīng)特性作為器件標(biāo)度。 當(dāng)未知入射光照射時(shí)，基于不同柵電壓下探測(cè)到的光電流數(shù)據(jù)向量和已知器件標(biāo)度，利用嶺回歸數(shù)學(xué)算法對(duì)其光譜信息進(jìn)行還原，實(shí)現(xiàn)了光譜重構(gòu)與成像。重構(gòu)光譜與傳統(tǒng)商用臺(tái)式光譜儀所測(cè)量的光譜具有較高的一致性（如圖2所示）。

圖2光譜儀應(yīng)用演示

由于超小特征尺寸、簡(jiǎn)單制造工藝以及與傳統(tǒng)集成電路工藝的良好兼容性，具有可設(shè)計(jì)帶隙能量、強(qiáng)化光響應(yīng)的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)為片上微型光譜儀的開(kāi)發(fā)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(shù)路線實(shí)現(xiàn)的微型光譜儀參數(shù)對(duì)照

04 總結(jié)與展望

該團(tuán)隊(duì)基于金屬插層的范德華異質(zhì)結(jié)增強(qiáng)電子態(tài)空間離域的方式實(shí)現(xiàn)層間激子光吸收的增強(qiáng)，并進(jìn)一步通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控范德華異質(zhì)結(jié)層間激子能級(jí)的方式實(shí)現(xiàn)了計(jì)算型片上超微型近紅外光譜儀。 該工作由北京工業(yè)大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校以及南洋理工大學(xué)合作完成，北京工業(yè)大學(xué)張永哲教授和加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授為共同通訊作者，北京工業(yè)大學(xué)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(yè)大學(xué)為第一完成單位。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)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