微型光譜儀對于各類片上（on-chip）和植入式光子及光電子應用具有巨大的吸引力。目前，最先進的傳統光譜儀設計嚴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元件）來捕獲不同的輸入光譜分量，從而增加了其集成的復雜性。

據麥姆斯咨詢報道，近日，由芬蘭阿爾托大學（Aalto University）、上海交通大學、浙江大學和英國劍橋大學（University of Cambridge）共同組成的科研團隊在Nature Communications期刊上發表了以“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的Md Gius Uddin，通訊作者為阿爾托大學的孫志培教授。

這項研究提出了一種基于簡單緊湊的范德華（vdW）異質結構二極管的高性能寬帶光譜儀，該異質結構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）共同構成，具備電可調諧光響應，同時采用了用于光譜重建的先進計算算法。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、監測以及光譜成像等各類應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步驟：學習、測試、重建。BP/MoS?二極管的光電特性可以通過在結上施加可調諧的外電偏置電位來以可控的方式進行調諧。如圖1a所示，二極管的響應首先通過多個已知單色光輸入進行了研究。然后在測試步驟中，與未知光譜入射光對應的器件的偏置相關光電流響應被測量（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機制。

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行了測試。該光譜儀在可見光波段的測試結果如圖3所示，在近紅外波段的測試結果如圖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的微型光譜儀性能進行了比較，相關結果如圖5所示。基于BP/MoS?二極管的寬帶光譜儀主要有以下三項優勢：（1）器件結構簡單緊湊，無需柵極端子；（2）驅動電壓低（<2 V）且功耗低；（3）工作波段覆蓋可見光至中紅外，應用范圍更廣。

圖5 帶隙工程的不同重建型微型光譜儀的比較結果

綜上所述，這項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，即可實現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用集成提供了廣闊的前景，例如消費類光子學、經濟型片上光譜成像（例如智能農業、遙感技術以及環境監測）等應用。

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

審核編輯：劉清