科学家在微型光谱仪中取得突破！

【研究背景】

微型光谱仪是一种用于检测光谱信息的关键设备，因其在化学分析、医学诊断和环境监测等领域的广泛应用，成为了研究热点。然而，传统光谱仪往往体积庞大，且基于光电探测器的微型光谱仪因仅依赖光响应的幅度信息，其光谱分辨率有限，难以与传统的色散型光谱仪媲美。此外，光电探测器阵列的有限数量和探测深度的限制，导致其响应矩阵维度不足，存在多重共线性问题，进而影响了光谱重构精度。

有鉴于此，电子科技大学熊杰教授、赵怡程研究员和四川大学崔汉骁研究员携手提出利用可变形的二维同质结，开发具有双信号光谱重构功能的微型光谱仪。通过利用二硫化钼（MoS2）单层的电致伸缩效应，科学家们成功地调控了其光生载流子的带隙和动力学参数，并实现了同时调节光电响应的幅度和弛豫时间。最终，该双信号微型光谱仪不仅提升了光谱分辨率，还减小了多重共线性问题，为微型光谱仪的进一步发展提供了新的方向和技术路径。

【仪器亮点】

（1）实验首次开发了一种基于可变形二维同质结的微光谱仪，具有20 × 25 µm²的占地面积，能够实现1.2 nm的光谱分辨率和380的波段数。该微光谱仪利用半浮动二硫化钼（MoS2）同质结，通过调节光电响应的幅度和弛豫时间实现双信号光谱重构。

（2）实验通过结合光电响应的幅度和弛豫时间，以及深度神经网络（DNN）算法，成功重构了入射光谱。该方法利用MoS2单层的巨大电致伸缩效应，通过栅极电压生成的面内电场调节光生载流子的动力学，从而同时调节带隙和载流子弛豫时间。

（3）相比传统的光电探测器阵列，该方法减少了响应矩阵的多重共线性问题，显著提高了光谱分辨率。这种微光谱仪不仅具有较小的体积，还兼容大规模超光谱阵列的制造和集成，有望扩展到紫外到红外的光谱范围，推动便携设备、原位表征和芯片实验室应用中的光谱成像技术的发展。

【图文解读】

图1：可变形二维同质结的结构和性能。

图2. 栅极可调二维同质结的光电响应机制和特性。

图3. 使用门可调二维同质结进行双信号光谱重建。

图4: 双信号谱重建的实际应用。

【科学启迪】

本文的研究展示了如何通过利用可变形二维同质结实现高性能微光谱仪，这为光谱仪技术的进步提供了新的视角。传统光谱仪由于其体积庞大和有限的分辨率，在便携和小型化应用中存在不足。然而，本文提出的利用半浮动二硫化钼（MoS2）同质结的微光谱仪，通过调节光电响应的幅度和弛豫时间，实现了高达1.2 nm的分辨率，且占地面积仅为20 × 25 µm²。这种技术的关键在于利用同质结的巨大电致伸缩效应，结合双信号光谱重构方法，有效解决了传统光谱仪的局限性。

这一成果不仅突破了光谱仪小型化和高分辨率的瓶颈，还展示了如何通过先进的材料设计和算法优化，提升光谱仪的性能。未来，通过扩展光谱范围和进一步提高分辨率，这类微光谱仪有望在便携设备、原位表征和芯片实验室等领域发挥重要作用。这项研究为开发更加集成化、高性能的光谱技术奠定了基础，并可能引领光谱分析领域的新方向。

原文详情：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