南方科技大学成功研制室温片上微型红外光谱仪

红外光谱仪在工业和实验室中有着重要的应用价值。然而，传统红外光谱仪（如光栅分光式、傅里叶变换式红外光谱仪）体积庞大、造价高昂且需要液氮制冷，这极大地限制了红外光谱仪在便携式设备上等更广阔场景里的应用。计算型光谱仪通过具有不同响应光谱的微型探测器阵列，结合重构算法计算未知光谱，省去了光栅和干涉仪等传统光谱仪中的大尺寸元件，可以显著地减小光谱仪的体积。进一步采用栅压等电学方式非线性地调控单个探测元器件的光电响应谱曲线，可以替代探测器阵列的空间维度，极大缩减计算光谱仪的体积。二维材料黑磷（BP）具有带隙可调、范德华层状结构、中红外响应率高等优异特性，为制备片上微型红外光谱仪提供了优异的材料平台。

据麦姆斯咨询报道，近日，南方科技大学电子与电气工程系助理教授陈晓龙课题组在学术期刊Nano Letters上发表以“Room-Temperature Self-Powered Infrared Spectrometer Based on a Single Black Phosphorus Heterojunction Diode”为题的文章，基于单个黑磷-二硫化钼（BP-MoS₂）异质结研制了室温单元器件片上微型红外光谱仪。该论文通讯作者为南方科技大学电子系陈晓龙助理教授，第一作者为博士研究生王晗，第一通讯单位为南方科技大学电子与电气工程系。

这项研究基于BP-MoS₂范德华异质结构实现了室温工作的片上微型红外光谱仪，结构示意图见图1a。利用栅压引起的量子限制法兰兹-卡尔迪西效应（quantum-confined Franz-Keldysh）、斯塔克效应（Stack effect）、莫斯-布尔斯坦效应（Moss-Burstein effect）等效应，BP-MoS₂异质结的光响应率曲线随栅压呈现非线性变化（见图1b）。当未知入射光谱照射BP-MoS₂异质结时，通过测量不同栅压下的光电流（图1c），结合重构算法即可计算得到入射光的光谱（图1d）。

图1 （a）BP-MoS₂片上微型红外光谱仪结构示意图；（b）栅压和波长相关的光响应率矩阵；（c）黑体辐射光源照射下的光电流-栅压曲线；（d）BP-MoS₂单元器件微型光谱仪重构（蓝色）与傅里叶红外光谱仪测量（橙色）的入射光谱曲线比较

单探测器光谱仪的工作原理可分为学习、采样和重建三个步骤（如图2a和图2b）。最后，研究人员利用图3展示了已报道的基于二维材料的微型光谱仪在工作温度、光谱探测范围和尺寸方面的比较。该研究基于BP-MoS₂二极管的光谱仪可在室温下工作于中波红外区域。

图2 (a) BP-MoS₂光谱仪的学习过程示意图；(b)BP-MoS₂光谱仪的采样和重建过程示意图

图3 本研究与其他已报道的基于二维材料的片上光谱仪在工作温度、尺寸和光谱范围方面的比较

综上所述，该器件的工作波长范围为1.7 μm – 3.5 μm，可以在室温下工作，但尺寸仅为30×50 μm²，远小于传统红外光谱仪，为光子芯片集成、片上光谱仪以及微型光谱仪提供了广阔的解决方案。

论文链接：

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

审核编辑：刘清