基于电场调控层间激子光吸收的超微型光谱仪
01 导读
近日，北京工业大学张永哲教授团队与美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队、新加坡南洋理工大学王岐捷教授团队合作，提出了一种基于电场调控层间激子光吸收的超微型光谱仪（特征尺寸10μm以下），实现了片上近红外光谱测量与重构。
相关成果以“electrically tunable two-dimensional heterojunctions for miniaturized near-infrared spectrometers”为题于2022年8月8日发表在nature communications上。
02 研究背景
光谱仪是实现光谱信息测量的基本仪器，通过光谱分析可以实现物质成分鉴别、存在状态以及化学组成分析，因此被广泛应用于天文物理、空间遥感、农业种植、大气研究、矿物分析、工程冶金、环境保护、医疗药物、光谱成像等众多领域。 传统光谱仪通常由复杂的干涉仪或分光系统、探测器等模块组成，这导致传统光谱仪具有体积大、质量重、成本高、便携性差等问题，难以满足快速增长的便携式、片上互联集成等需求。因此，亟需开发研究微型光谱仪，进而克服传统光谱仪的局限。
03 研究创新点
该研究团队开发出一款超微型的片上计算型近红外光谱仪，该光谱仪的特征尺寸小于10μm。简言之，即在不到头发丝直径长度的尺寸下，实现了传统具有几十厘米尺寸的台式光谱仪的光谱测量功能与重构功能。
该光谱仪由单个电可调控的范德华异质结光电探测器构成（如图1所示）。特别地，在能带工程指导下，构建了type ⅱ异质结，其优点在于具有可设计能量大小的层间激子能级，且该能级易受外场调控从而实现不同特征入射光谱的捕获。因此，在开发无需空间分光的超微型光谱仪方面具有潜在优势。
图1 光谱仪结构设计与光响应机理
然而，由于层间激子导带底和价带顶的波函数的空间离域，导致范德华异质结层间激子的波函数重叠减小，进而使其跃迁偶极矩比常规的层内激子的偶极矩小几个数量级，阻碍了光电信号的探测。 因此，该团队创新性地提出了金属原子离域增强范德华异质结层间激子跃迁偶极矩的新思路来增强光吸收，这得益于重金属原子所具有的离域性较强的外层电子轨道。以res2和wse2的组合为例，构建了初始层间激子跃迁能量理论上约为1ev的范德华异质结构，通过上述金属插层的办法，成功将范德华异质结的层间激子光吸收提升近2倍。 通过电场调控的方法对其进行能级调控，在res2/au/wse2范德华异质结光电探测器中获得了可调截止波长的近红外光电响应特性（1.15~1.47μm）。因而建立了与入射波长、栅极电压相关的器件响应度矩阵，并以此可调谐的光谱响应特性作为器件标度。 当未知入射光照射时，基于不同栅电压下探测到的光电流数据向量和已知器件标度，利用岭回归数学算法对其光谱信息进行还原，实现了光谱重构与成像。重构光谱与传统商用台式光谱仪所测量的光谱具有较高的一致性（如图2所示）。
图2 光谱仪应用演示
由于超小特征尺寸、简单制造工艺以及与传统集成电路工艺的良好兼容性，具有可设计带隙能量、强化光响应的范德华异质结构为片上微型光谱仪的开发提供了一种有吸引力的解决方案（如图3所示）。
图3 不同技术路线实现的微型光谱仪参数对照
04 总结与展望
该团队基于金属插层的范德华异质结增强电子态空间离域的方式实现层间激子光吸收的增强，并进一步通过电场调控范德华异质结层间激子能级的方式实现了计算型片上超微型近红外光谱仪。 该工作由北京工业大学、加州大学洛杉矶分校以及南洋理工大学合作完成，北京工业大学张永哲教授和加州大学洛杉矶分校段镶锋教授为共同通讯作者，北京工业大学邓文杰博士、郑子龙副教授、李菁桢助理研究员为论文共同第一作者。北京工业大学为第一完成单位。研究工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金的大力支持。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32306-z
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03 研究创新点
该研究团队开发出一款超微型的片上计算型近红外光谱仪，该光谱仪的特征尺寸小于10μm。简言之，即在不到头发丝直径长度的尺寸下，实现了传统具有几十厘米尺寸的台式光谱仪的光谱测量功能与重构功能。
该光谱仪由单个电可调控的范德华异质结光电探测器构成（如图1所示）。特别地，在能带工程指导下，构建了type ⅱ异质结，其优点在于具有可设计能量大小的层间激子能级，且该能级易受外场调控从而实现不同特征入射光谱的捕获。因此，在开发无需空间分光的超微型光谱仪方面具有潜在优势。
图1 光谱仪结构设计与光响应机理
然而，由于层间激子导带底和价带顶的波函数的空间离域，导致范德华异质结层间激子的波函数重叠减小，进而使其跃迁偶极矩比常规的层内激子的偶极矩小几个数量级，阻碍了光电信号的探测。 因此，该团队创新性地提出了金属原子离域增强范德华异质结层间激子跃迁偶极矩的新思路来增强光吸收，这得益于重金属原子所具有的离域性较强的外层电子轨道。以res2和wse2的组合为例，构建了初始层间激子跃迁能量理论上约为1ev的范德华异质结构，通过上述金属插层的办法，成功将范德华异质结的层间激子光吸收提升近2倍。 通过电场调控的方法对其进行能级调控，在res2/au/wse2范德华异质结光电探测器中获得了可调截止波长的近红外光电响应特性（1.15~1.47μm）。因而建立了与入射波长、栅极电压相关的器件响应度矩阵，并以此可调谐的光谱响应特性作为器件标度。 当未知入射光照射时，基于不同栅电压下探测到的光电流数据向量和已知器件标度，利用岭回归数学算法对其光谱信息进行还原，实现了光谱重构与成像。重构光谱与传统商用台式光谱仪所测量的光谱具有较高的一致性（如图2所示）。
图2 光谱仪应用演示
由于超小特征尺寸、简单制造工艺以及与传统集成电路工艺的良好兼容性，具有可设计带隙能量、强化光响应的范德华异质结构为片上微型光谱仪的开发提供了一种有吸引力的解决方案（如图3所示）。
图3 不同技术路线实现的微型光谱仪参数对照
04 总结与展望
该团队基于金属插层的范德华异质结增强电子态空间离域的方式实现层间激子光吸收的增强，并进一步通过电场调控范德华异质结层间激子能级的方式实现了计算型片上超微型近红外光谱仪。 该工作由北京工业大学、加州大学洛杉矶分校以及南洋理工大学合作完成，北京工业大学张永哲教授和加州大学洛杉矶分校段镶锋教授为共同通讯作者，北京工业大学邓文杰博士、郑子龙副教授、李菁桢助理研究员为论文共同第一作者。北京工业大学为第一完成单位。研究工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金的大力支持。
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