2024-04-30 | 科研部 南科大陈晓龙课题组成功研制室温片上微型红外光谱仪

近日，南方科技大学电子与电气工程系助理教授陈晓龙课题组在学术期刊 Nano Letters 上发表以“Room-Temperature Self-Powered Infrared Spectrometer Based on a Single Black Phosphorus Heterojunction Diode”为题的文章，基于单个黑磷-二硫化钼异质结研制室温单元器件片上微型红外光谱仪。

红外光谱仪在工业和实验室中有着重要的应用价值。然而，传统红外光谱仪（如光栅分光式、傅里叶变换式红外光谱仪）体积庞大、造价高昂、且需要液氮制冷，这极大地限制了红外光谱仪在便携式设备上等更广阔场景里的应用。计算型光谱仪通过具有不同响应光谱的微型探测器阵列，结合重构算法计算未知光谱，省去了光栅和干涉仪等传统光谱仪中的大尺寸元件，可以显著地减小光谱仪的体积。采用栅压等电学方式非线性地调控单个探测元器件的光电响应谱曲线，可以替代探测器阵列的空间维度，极大缩减计算光谱仪的体积。二维材料黑磷（BP）具有带隙可调、范德华层状结构、中红外响应率高等优异特性，为制备片上微型红外光谱仪提供了优异的材料平台。

本研究基于BP-MoS₂范德华异质结构实现了室温工作的片上微型红外光谱仪，结构示意图见图1a。课题组利用栅压引起的量子限制法兰兹-卡尔迪西效应（quantum-confined Franz-Keldysh）、斯塔克效应（Stack effect）、莫斯-布尔斯坦效应（Moss-Burstein effect）等，使BP-MoS₂异质结的光响应率曲线随栅压呈现非线性变化（见图1b）。当未知入射光谱照射BP-MoS₂异质结时，通过测量不同栅压下的光电流（图1c），结合重构算法即可计算得到入射光的光谱（图1d）。该器件的工作波长范围为1.7–3.5 微米，可以在室温下工作，但尺寸仅为30×50μm²，远小于传统红外光谱仪，为光子芯片集成提供了新的思路。

图1 研究示意图 (a) BP-MoS2片上微型红外光谱仪结构示意图 (b) 栅压和波长相关的光响应率矩阵 (c) 黑体辐射光源照射下的光电流-栅压曲线 (d) BP-MoS2单元器件微型光谱仪重构（蓝色）与傅里叶红外光谱仪测量（橙色）的入射光谱曲线比较

南科大电子系2023级博士研究生王晗为本文第一作者，助理教授陈晓龙为本文通讯作者。南科大为第一通讯单位。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04044

供稿：电子与电气工程系

通讯员：高青

编辑：曾昱雯

主图：李嘉慧