基于范德华隧道二极管的宽带微型光谱仪开发

微型光谱仪对于各类片上（on-chip）和植入式光子及光电子应用具有巨大的吸引力。目前，最先进的传统光谱仪设计严重依赖于体积庞大的色散组件（例如光栅、光电探测器阵列和干涉光学元件）来捕获不同的输入光谱分量，从而增加了其集成的复杂性。

据麦姆斯咨询报道，近日，由芬兰阿尔托大学（Aalto University）、上海交通大学、浙江大学和英国剑桥大学（University of Cambridge）共同组成的科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Broadband miniaturized spectrometers with a van der Waals tunnel diode”为主题的论文。该论文的第一作者为阿尔托大学的Md Gius Uddin，通讯作者为阿尔托大学的孙志培教授。

这项研究提出了一种基于简单紧凑的范德华（vdW）异质结构二极管的高性能宽带光谱仪，该异质结构二极管由精心选择的活性范德华材料二硫化钼（MoS₂）与黑磷（BP）共同构成，具备电可调谐光响应，同时采用了用于光谱重建的先进计算算法。该器件尺寸为30 μm × 20 μm，工作波段覆盖500 nm至1600 nm，峰值波长精度极高为2 nm。这种基于BP/MoS₂二极管的宽带光谱仪方案为传感、监测以及光谱成像等各类应用提供了更具吸引力的选择。

图1展示了基于BP/MoS₂二极管的宽带光谱仪的工作原理。该光谱仪方案包含三个步骤：学习、测试、重建。BP/MoS₂二极管的光电特性可以通过在结上施加可调谐的外电偏置电位来以可控的方式进行调谐。如图1a所示，二极管的响应首先通过多个已知单色光输入进行了研究。然后在测试步骤中，与未知光谱入射光对应的器件的偏置相关光电流响应被测量（如图1b）。

图1 基于BP/MoS₂二极管的宽带光谱仪的工作原理示意图

图2a呈现了基于BP/MoS₂二极管的光谱仪的示意图，该光谱仪在300 nm热生长SiO₂覆盖层的硅衬底上制备。该光谱仪的光学显微镜图像如图2b所示。图2c和图2d显示了该光谱仪的特性表征。图2e和图2f展示了该光谱仪的能带图和载流子输运机制。

图2 基于BP/MoS₂二极管的宽带光谱仪的表征

随后，研究人员分别在可见光波段和近红外波段对基于BP/MoS₂二极管的宽带光谱仪进行了测试。该光谱仪在可见光波段的测试结果如图3所示，在近红外波段的测试结果如图4所示。

图3 基于BP/MoS₂二极管的宽带光谱仪在可见光波段的演示

图4 基于BP/MoS₂二极管的宽带光谱仪在近红外波段的演示

最后，研究人员将本研究的光谱仪性能与目前最先进的微型光谱仪性能进行了比较，相关结果如图5所示。基于BP/MoS₂二极管的宽带光谱仪主要有以下三项优势：（1）器件结构简单紧凑，无需栅极端子；（2）驱动电压低（<2 V）且功耗低；（3）工作波段覆盖可见光至中红外，应用范围更广。

图5 带隙工程的不同重建型微型光谱仪的比较结果

综上所述，这项研究成功展示了一种基于范德华隧道二极管的重建型宽带光谱仪。该光谱仪具有电可重构性，无需任何滤波器、光电探测器阵列或其它笨重的色散组件，即可实现纳米精度的高分辨率。这种光谱仪的低工作电压、紧凑型等特性为许多便携式应用集成提供了广阔的前景，例如消费类光子学、经济型片上光谱成像（例如智能农业、遥感技术以及环境监测）等应用。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-44702-8

审核编辑：刘清