研究背景
光譜技術是用于實時分析和非破壞性采樣的重要工具，廣泛應用于材料科學、分析化學和醫學成像等領域。隨著對便攜、小型化和低成本光譜儀的需求增加，微型光譜儀的研究成為了熱點。然而，傳統光譜儀由于光學組件的線性尺寸決定了光譜分辨率，因此體積較大，并且其分辨率受限于傳統光電探測器只能對入射光進行幅度依賴的響應測量，這限制了其在高分辨率應用中的表現。為解決這一挑戰，電子科技大學熊杰教授、趙怡程研究員和四川大學崔漢驍研究員等攜手在“Nature Electronics”期刊上發表了題為“A microspectrometer with dual-signal spectral reconstruction”的最新論文。研究人員提出了利用可變形二維同質結來構建微型光譜儀的方案。具體而言，科學家們設計了一種具有可調光電響應的半浮動二硫化鉬（MoS2）同質結，該結構能夠同時調節光電響應的幅度和弛豫時間。通過采用雙信號光譜重構方法，并結合深度神經網絡算法，研究人員成功地實現了一種占地面積為20×?25?μm2的微光譜儀，其光譜分辨率達到了1.2?nm，波段數為380，接近于傳統臺式光譜儀的性能。
研究亮點
（1）實驗首次利用可變形二維同質結構構建了具有雙信號光譜重構功能的微型光譜儀。通過調控二維半浮動二硫化鉬（MoS2）同質結的帶隙和載流子動力學，實現了對光電響應的幅度和弛豫時間的雙重調節，成功解決了傳統光電探測器僅依賴幅度響應的問題。（2）實驗通過結合雙信號響應和深度神經網絡（DNN）算法，能夠以1.2nm的分辨率和380的波段數精確重構入射光譜。該方法不僅顯著提升了光譜儀的分辨能力，還成功減少了傳統矩陣計算中的多重共線性問題，為微型光譜儀在便攜設備、原位表征和芯片實驗室等領域提供了新的技術路徑和應用前景。
圖文解讀
總結展望
本文展示了如何通過創新性設計提高微型光譜儀的分辨率和應用潛力。傳統光電探測器僅依賴幅度響應，導致光譜儀分辨率受到限制。而該研究通過利用二維同質結的巨大電致伸縮效應，實現了光電響應的雙信號調控，即帶隙（幅度）和載流子動力學（弛豫時間）的同步調節。這一突破性的設計結合深度神經網絡算法，克服了多重共線性問題，顯著提高了光譜重構的精度和波段數，接近臺式光譜儀的水平。該技術不僅在占地面積和分辨率上具有優勢，還具有兼容大規模集成的潛力，未來可用于化學分析、醫學診斷、環境監測等多個領域。這項研究為進一步開發具有高分辨率、小型化和廣泛應用前景的光譜儀提供了新的思路。 Du, X., Wang, Y., Cui, Y. et al. A microspectrometer with dual-signal spectral reconstruction. Nat Electron (2024).https://doi.org/10.1038/s41928-024-01242-9
