紅外光譜儀在工業和實驗室中有著重要的應用價值。然而，傳統紅外光譜儀（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備上等更廣闊場景里的應用。計算型光譜儀通過具有不同響應光譜的微型探測器陣列，結合重構算法計算未知光譜，省去了光柵和干涉儀等傳統光譜儀中的大尺寸元件，可以顯著地減小光譜儀的體積。進一步采用柵壓等電學方式非線性地調控單個探測元器件的光電響應譜曲線，可以替代探測器陣列的空間維度，極大縮減計算光譜儀的體積。二維材料黑磷（BP）具有帶隙可調、范德華層狀結構、中紅外響應率高等優異特性，為制備片上微型紅外光譜儀提供了優異的材料平臺。

據麥姆斯咨詢報道，近日，南方科技大學電子與電氣工程系助理教授陳曉龍課題組在學術期刊Nano Letters上發表以“Room-Temperature Self-Powered Infrared Spectrometer Based on a Single Black Phosphorus Heterojunction Diode”為題的文章，基于單個黑磷-二硫化鉬（BP-MoS?）異質結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電子與電氣工程系。

這項研究基于BP-MoS?范德華異質結構實現了室溫工作的片上微型紅外光譜儀，結構示意圖見圖1a。利用柵壓引起的量子限制法蘭茲-卡爾迪西效應（quantum-confined Franz-Keldysh）、斯塔克效應（Stack effect）、莫斯-布爾斯坦效應（Moss-Burstein effect）等效應，BP-MoS?異質結的光響應率曲線隨柵壓呈現非線性變化（見圖1b）。當未知入射光譜照射BP-MoS?異質結時，通過測量不同柵壓下的光電流（圖1c），結合重構算法即可計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構示意圖；（b）柵壓和波長相關的光響應率矩陣；（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（藍色）與傅里葉紅外光譜儀測量（橙色）的入射光譜曲線比較

單探測器光譜儀的工作原理可分為學習、采樣和重建三個步驟（如圖2a和圖2b）。最后，研究人員利用圖3展示了已報道的基于二維材料的微型光譜儀在工作溫度、光譜探測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域。

圖2 (a)BP-MoS?光譜儀的學習過程示意圖；(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，該器件的工作波長范圍為1.7μm– 3.5μm，可以在室溫下工作，但尺寸僅為30×50 μm2，遠小于傳統紅外光譜儀，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