摘要
关键词
- 范德瓦尔斯结（van der Waals Junction）
- 微型光谱仪（Miniaturized Spectrometers）
- 计算光谱仪（Computational Spectrometers）
- 光谱成像（Spectral Imaging）
- 光电响应（Photodetection）
- 光谱分辨率（Spectral Resolution）
研究背景
传统光谱仪通常依赖分光元件和探测器阵列，限制了设备的微型化。而计算光谱仪通过结合光谱响应和重构算法克服了这些局限性，但其性能往往受到探测器数量、带隙调控及低温操作需求的限制。二维材料以其优异的光-物质相互作用特性成为开发新型光谱仪的重要候选材料。本研究基于二维材料范德瓦尔斯结的电调传输特性，提出了一种单探测器计算光谱仪，能够在保持超小尺寸的同时实现高精度光谱检测。
创新点
- 提出基于范德瓦尔斯结的单探测器光谱仪方案，实现了电调光谱响应。
- 展现了 0.36 纳米的波长精度和 3 纳米的光谱分辨率。
- 验证了设备在 405 到 845 纳米波段范围内的高灵敏光谱检测能力。
- 开发了一种用于光谱成像的概念验证系统，展示了设备在多功能应用中的潜力。
研究内容
本研究采用范德瓦尔斯结（如 \( \text{MoS}_2/\text{WSe}_2 \) 异质结）构建了具有电调传输特性的计算光谱仪。设备采用六方氮化硼（h-BN）作为上下绝缘层，并通过局域石墨烯栅极实现对光谱响应的调控。通过拉曼光谱和原子力显微镜确认了范德瓦尔斯异质结构的质量。实验通过测量设备在不同栅极电压下的光电响应，构建了光谱响应矩阵，并通过适配 Tikhonov 正则化算法重构未知光谱。实验结果表明，设备在单色光和宽带光谱的重构中表现出高分辨率和高精度。此外，还展示了设备在光谱成像中的应用，通过空间扫描实现对彩色图像的光谱数据解析。
(a) 典型的在 vdW 结界面处通过栅极可调带阶对齐（顶部）和其独特的栅极可调光谱响应矩阵（底部）。\(E_\text{c}\) (\(E_\text{v}\)) 表示导带（价带）边缘。
(b) 单结光谱仪的多种应用示意图：作为波长计区分单色光的峰值波长（顶部）；作为光谱仪解析宽带光谱（中间）；以及作为光谱成像仪分析图像的光谱信息（底部）。
(a) MoS\(_2\)/WSe\(_2\) 异质结光谱仪的示意图（左），以及在沉积电极和叠加顶部 h-BN 钝化层前后，在 h-BN 和石墨烯层上的光学图像（中、右）。为便于观察，图中的顶部 h-BN 层已被省略。
(b, c) 在无光 (b) 和不同波长光照 (c) 下，MoS\(_2\) 和 WSe\(_2\) 通道及其异质结的转移曲线，使用石墨烯栅极，在固定功率约为 20 mW 的情况下测量。
(d) 光谱响应矩阵的彩色等高线图。
(e, f) 光谱仪重建的准单色 [(e); 带宽约为 10 nm] 和两种不同宽带光谱 (f)，与使用商业光谱仪测量的结果（虚线曲线）对比。a.u.，任意单位。
(g) 重建光谱与参考光谱之间的峰值信噪比，作为学习步骤的函数。
(a) 高密度光谱响应矩阵的彩色等高线图，学习步长为约 0.1 nm。
(b) 光谱仪重建的单色光谱（实线曲线，带宽约为 2 nm）与商业光谱仪测量的结果（虚线曲线）。
(c) 重建光谱和测量光谱的峰值波长，作为输入波长的函数。
(d) 重建光谱与参考光谱的峰值波长差异（顶部）以及我们单结光谱仪的波长分辨能力（底部）。
(e) 重建的复杂光谱（实线曲线）与测量结果（虚线曲线）。
(f) 单结光谱仪的未来展望，目标是实现超高分辨率。
(a) 使用单结光谱仪进行光谱成像的配置，采用空间扫描方法。一个通过彩色图像过滤的宽带光源入射到光谱仪中进行光谱成像。
(b) 在不同 \(V_\text{GS}\) 下扫描的光电流映射数据。
(c) 在不同波长重建的光谱图像，涵盖从可见光到近红外的范围。每个波长的较高强度表明更多的宽带光透过彩色图像。图 (b) 和 (c) 中的像素强度均已标准化为各自的最大强度。
结论与展望
本研究展示了一种基于单个范德瓦尔斯结的超微型计算光谱仪，其在光谱分辨率和精度方面表现出卓越性能。未来的研究方向包括优化光谱响应矩阵的构建、扩展操作波段以及实现更高的集成度，从而推动其在生物医学成像、环境监测和便携设备中的应用。
论文直达
原文标题：Miniaturized Spectrometers with a Tunable van der Waals Junction
原文卷期号：Science 2022, 378, 296–299
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