南方科技大學(xué)成功研制室溫片上微型紅外光譜儀

紅外光譜儀在工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)紅外光譜儀（如光柵分光式、傅里葉變換式紅外光譜儀）體積龐大、造價(jià)高昂且需要液氮制冷，這極大地限制了紅外光譜儀在便攜式設(shè)備上等更廣闊場(chǎng)景里的應(yīng)用。計(jì)算型光譜儀通過具有不同響應(yīng)光譜的微型探測(cè)器陣列，結(jié)合重構(gòu)算法計(jì)算未知光譜，省去了光柵和干涉儀等傳統(tǒng)光譜儀中的大尺寸元件，可以顯著地減小光譜儀的體積。進(jìn)一步采用柵壓等電學(xué)方式非線性地調(diào)控單個(gè)探測(cè)元器件的光電響應(yīng)譜曲線，可以替代探測(cè)器陣列的空間維度，極大縮減計(jì)算光譜儀的體積。二維材料黑磷（BP）具有帶隙可調(diào)、范德華層狀結(jié)構(gòu)、中紅外響應(yīng)率高等優(yōu)異特性，為制備片上微型紅外光譜儀提供了優(yōu)異的材料平臺(tái)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系助理教授陳曉龍課題組在學(xué)術(shù)期刊Nano Letters上發(fā)表以“Room-Temperature Self-Powered Infrared Spectrometer Based on a Single Black Phosphorus Heterojunction Diode”為題的文章，基于單個(gè)黑磷-二硫化鉬（BP-MoS?）異質(zhì)結(jié)研制了室溫單元器件片上微型紅外光譜儀。該論文通訊作者為南方科技大學(xué)電子系陳曉龍助理教授，第一作者為博士研究生王晗，第一通訊單位為南方科技大學(xué)電子與電氣工程系。

這項(xiàng)研究基于BP-MoS?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了室溫工作的片上微型紅外光譜儀，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1a。利用柵壓引起的量子限制法蘭茲-卡爾迪西效應(yīng)（quantum-confined Franz-Keldysh）、斯塔克效應(yīng)（Stack effect）、莫斯-布爾斯坦效應(yīng)（Moss-Burstein effect）等效應(yīng)，BP-MoS?異質(zhì)結(jié)的光響應(yīng)率曲線隨柵壓呈現(xiàn)非線性變化（見圖1b）。當(dāng)未知入射光譜照射BP-MoS?異質(zhì)結(jié)時(shí)，通過測(cè)量不同柵壓下的光電流（圖1c），結(jié)合重構(gòu)算法即可計(jì)算得到入射光的光譜（圖1d）。

圖1（a）BP-MoS?片上微型紅外光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；（b）柵壓和波長(zhǎng)相關(guān)的光響應(yīng)率矩陣；（c）黑體輻射光源照射下的光電流-柵壓曲線；（d）BP-MoS?單元器件微型光譜儀重構(gòu)（藍(lán)色）與傅里葉紅外光譜儀測(cè)量（橙色）的入射光譜曲線比較

單探測(cè)器光譜儀的工作原理可分為學(xué)習(xí)、采樣和重建三個(gè)步驟（如圖2a和圖2b）。最后，研究人員利用圖3展示了已報(bào)道的基于二維材料的微型光譜儀在工作溫度、光譜探測(cè)范圍和尺寸方面的比較。該研究基于BP-MoS?二極管的光譜儀可在室溫下工作于中波紅外區(qū)域。

圖2 (a)BP-MoS?光譜儀的學(xué)習(xí)過程示意圖；(b)BP-MoS?光譜儀的采樣和重建過程示意圖

圖3 本研究與其他已報(bào)道的基于二維材料的片上光譜儀在工作溫度、尺寸和光譜范圍方面的比較

綜上所述，該器件的工作波長(zhǎng)范圍為1.7μm– 3.5μm，可以在室溫下工作，但尺寸僅為30×50 μm2，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)紅外光譜儀，為光子芯片集成、片上光譜儀以及微型光譜儀提供了廣闊的解決方案。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04044

審核編輯：劉清