基于范德華隧道二極管的寬帶微型光譜儀開發(fā)

微型光譜儀對于各類片上（on-chip）和植入式光子及光電子應(yīng)用具有巨大的吸引力。目前，最先進(jìn)的傳統(tǒng)光譜儀設(shè)計(jì)嚴(yán)重依賴于體積龐大的色散組件（例如光柵、光電探測器陣列和干涉光學(xué)元件）來捕獲不同的輸入光譜分量，從而增加了其集成的復(fù)雜性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University）、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)和英國劍橋大學(xué)（University of Cambridge）共同組成的科研團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊上發(fā)表了以“Broadband miniaturized spectrometers with a van der Waals tunnel diode”為主題的論文。該論文的第一作者為阿爾托大學(xué)的Md Gius Uddin，通訊作者為阿爾托大學(xué)的孫志培教授。

這項(xiàng)研究提出了一種基于簡單緊湊的范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管的高性能寬帶光譜儀，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管由精心選擇的活性范德華材料二硫化鉬（MoS?）與黑磷（BP）共同構(gòu)成，具備電可調(diào)諧光響應(yīng)，同時(shí)采用了用于光譜重建的先進(jìn)計(jì)算算法。該器件尺寸為30 μm × 20 μm，工作波段覆蓋500 nm至1600 nm，峰值波長精度極高為2 nm。這種基于BP/MoS?二極管的寬帶光譜儀方案為傳感、監(jiān)測以及光譜成像等各類應(yīng)用提供了更具吸引力的選擇。

圖1展示了基于BP/MoS?二極管的寬帶光譜儀的工作原理。該光譜儀方案包含三個(gè)步驟：學(xué)習(xí)、測試、重建。BP/MoS?二極管的光電特性可以通過在結(jié)上施加可調(diào)諧的外電偏置電位來以可控的方式進(jìn)行調(diào)諧。如圖1a所示，二極管的響應(yīng)首先通過多個(gè)已知單色光輸入進(jìn)行了研究。然后在測試步驟中，與未知光譜入射光對應(yīng)的器件的偏置相關(guān)光電流響應(yīng)被測量（如圖1b）。

圖1 基于BP/MoS?二極管的寬帶光譜儀的工作原理示意圖

圖2a呈現(xiàn)了基于BP/MoS?二極管的光譜儀的示意圖，該光譜儀在300 nm熱生長SiO?覆蓋層的硅襯底上制備。該光譜儀的光學(xué)顯微鏡圖像如圖2b所示。圖2c和圖2d顯示了該光譜儀的特性表征。圖2e和圖2f展示了該光譜儀的能帶圖和載流子輸運(yùn)機(jī)制。

圖2 基于BP/MoS?二極管的寬帶光譜儀的表征

隨后，研究人員分別在可見光波段和近紅外波段對基于BP/MoS?二極管的寬帶光譜儀進(jìn)行了測試。該光譜儀在可見光波段的測試結(jié)果如圖3所示，在近紅外波段的測試結(jié)果如圖4所示。

圖3 基于BP/MoS?二極管的寬帶光譜儀在可見光波段的演示

圖4 基于BP/MoS?二極管的寬帶光譜儀在近紅外波段的演示

最后，研究人員將本研究的光譜儀性能與目前最先進(jìn)的微型光譜儀性能進(jìn)行了比較，相關(guān)結(jié)果如圖5所示?；贐P/MoS?二極管的寬帶光譜儀主要有以下三項(xiàng)優(yōu)勢：（1）器件結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無需柵極端子；（2）驅(qū)動(dòng)電壓低（<2 V）且功耗低；（3）工作波段覆蓋可見光至中紅外，應(yīng)用范圍更廣。

圖5 帶隙工程的不同重建型微型光譜儀的比較結(jié)果

綜上所述，這項(xiàng)研究成功展示了一種基于范德華隧道二極管的重建型寬帶光譜儀。該光譜儀具有電可重構(gòu)性，無需任何濾波器、光電探測器陣列或其它笨重的色散組件，即可實(shí)現(xiàn)納米精度的高分辨率。這種光譜儀的低工作電壓、緊湊型等特性為許多便攜式應(yīng)用集成提供了廣闊的前景，例如消費(fèi)類光子學(xué)、經(jīng)濟(jì)型片上光譜成像（例如智能農(nóng)業(yè)、遙感技術(shù)以及環(huán)境監(jiān)測）等應(yīng)用。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-44702-8

審核編輯：劉清