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中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-037）——基于范德华异质结的超微型近红外光谱仪

已有 4241 次阅读 2022-11-15 14:17 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——基于范德华异质结的超微型近红外光谱仪

红外光谱信息识别技术是对物质结构与组成进行定性、定量分析的重要方法。现有传统光谱仪通常由分光系统或干涉仪搭载探测器模块组成，其中光学系统带来体积大、重量沉、成本高的问题，不利于光谱仪的二次开发，难以满足日益增长的便携式、片上集成等需求，如在特殊领域或环境的现场、实时、快速检测。因此，开发小型、微型甚至超微型的红外光谱仪成为红外信息领域的重点研究方向之一。

针对上述挑战性问题，北京工业大学张永哲教授团队联合加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队，共同开发了一款特征尺寸小于10 μm的超微型片上可重构计算型近红外光谱仪。摆脱对传统光学分光、干涉系统的依赖，依靠电场调谐的二维范德华异质结材料制备探测器单元，实现光谱仪空间尺寸的大幅减小。基于能带工程中层间激子能量的调控方法，制备Type-Ⅱ型ReS₂/WSe₂范德华异质结，实现近红外的信号识别。但由于层间激子电子波函数与空穴波函数的空间分离，凸显了层间激子光吸收强度弱的弊端，即层间激子跃迁偶极矩比层内激子偶极矩低2~4个数量级，致使红外光电信号提取困难。针对新问题，作者利用重金属元素电子轨道离域性强的特点，增加层间激子电子波函数与空穴波函数的空间重叠，提高了范德华异质结层间激子的光学吸收强度（如图1所示）。

图1. 光谱仪结构设计与光响应机理。

借用金属元素Au的离域性d轨，以“桥梁“的方式，促进层间激子中的电子、空穴波函数的空间交叠，提升激子光学吸收强度近2倍。在此物理基础上，电场调控范德华异质结层间激子能级的策略得以成功实现，作者在ReS₂/Au/WSe₂器件中获得了电场可调截止波长在1.1μm~1.5 μm范围的近红外光电响应特性。基于入射波长、栅极电压的响应度矩阵以及位置入射光下的光电流数据向量，采用岭回归的数学办法实现了超小特征尺寸单元器件的近红外光谱重构功能验证。通过与传统大型台式光谱仪测量结果对比，重构光谱具有较高的一致性（如图2所示）。上述器件设计与物理机制的提出，为片上超微型光谱仪的发展提供了一种独辟蹊径的技术方法（如图3所示）。

图2. 光谱仪应用演示。

图3. 不同技术路线实现的微型光谱仪参数对照。

该研究成果以“Electrically tunable two-dimensional heterojunctions for miniaturized near-infrared spectrometers”为题发表于Nature Communications期刊上。北京工业大学信息学部张永哲教授和加州大学洛杉矶分校化学学院段镶锋教授为论文共同通讯作者，北京工业大学邓文杰博士，郑子龙副教授，李菁桢助理研究员为论文共同第一作者。该工作得到了新加坡南洋理工大学王岐捷教授和刘政教授的支持。该工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金的支持。

2 作者简介

通讯作者

张永哲，北京工业大学信息学部教授、博士生导师。

教育部长江学者特聘教授。2009年于兰州大学获凝聚态物理博士学位，2010年3月至2013年1月分别在韩国延世大学和新加坡南洋理工大学以博士后和研究科学家（Research Scientist）身份从事研究工作，2015年1月起在北京工业大学从事教学科研工作。荣获北京市杰出青年基金，入选北京市海外高层次引进人才、北京市青年拔尖人才、北京市科技新星等人才项目。专注于半导体光电器件物理研究工作，研究其中的材料物理和器件物理机制，进而实现高效光电转换器件，具体包括硅基异质结太阳能电池和光电探测器，迄今为止在Nature Energy, Nature Communications, Advanced Materials等杂志发表论文130余篇，被引用3500多次，申请专利50余项。

第一作者

邓文杰，博士，北京工业大学信息学部讲师。

2022年于北京工业大学获得工学博士学位，博士在读期间入选“中国科协优秀中外青年交流计划”，公派至新加坡南洋理工大学进行交流访问。主要从事高性能、多功能范德华光电器件设计及其器件物理研究。目前以第一作者在Nature Communications，Advanced Materials，Small，Applied Physics Letters等期刊发表SCI学术论文9篇，以共同第一作者、合作作者发表SCI学术论文10余篇，申请中国专利4项，新加坡专利1项。

第一作者

郑子龙，北京工业大学材料与制造学部副教授。

本科（2006年）、博士（2012年）毕业于中国科学技术大学，后在美国肯特州立大学（2013年）、美国佐治亚理工大学（2014-2018年）从事博士后研究，开展光电半导体材料的理论研究。2018年回国，入选“北京工业大学高端人才队伍建设计划”优秀人才项目，继续光电半导体材料的设计工作。2020年入选北京市朝阳区“凤凰计划”项目。揭示了光电半导体中“原子组成-结构形貌-器件性能”的物理联系规律，为研发新型、高效光电转换材料铺垫了重要理论基础（Nature Materials 2018，Nature Reviews Materials 2019，Nature Energy 2021）。

第一作者

李菁桢，北京工业大学信息学部助理研究员。

2020年于北京大学获凝聚态物理专业博士学位，2018年9月至2019年9月于哈佛大学进行交流学习。主要从事低维高性能电子及光电器件应用基础研究。近五年参与国家自然科学基金2项、国家重点研发计划课题1项，主持XX重点实验室基金项目1项、北京市其他委办项目1项，担任《真空与低温》杂志青年编委，以及Journal of Physical Chemistry C和Journal Of Molecular Graphics & Modelling等国际期刊的审稿专家，在Nature Communications、Reports on Progress in Physics、Advanced Materials、ACS applied materials & interfaces、Nanoscale、Nano Research等国际期刊发表SCI论文40余篇。

3 原文传递

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https://www.nature.com/articles/s41467-022-32306-z

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