图 超微型电调谐光谱仪研究：(a) 超微型光谱仪的器件及能带结构示意图；(b) 重金属原子离域增强层间激子光吸收研究；(c) 电场可调的器件红外光电响应特性；(d) 光谱仪工作原理及机制；(e) 单像素扫描主动式成像照片；(f) 对于(e)中点A位置的重构的光谱信息，及与传统光谱仪测量结果的对比

　　在国家自然科学基金项目（批准号：61922005、U1930105）等资助下，北京工业大学张永哲教授团队与加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队联合攻关，在片上超微型光谱仪研究方面取得进展。研究成果以“电调控二维材料异质结超微型近红外光谱仪（Electrically tunable two-dimensional heterojunctions for miniaturized near-infrared spectrometers）”为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上，论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32306-z。

　　光谱仪是现代社会进行科学研究和工业生产的基础仪器设备之一，可以通过光谱测量对物质进行辨别与成分分析。当前所使用的光谱仪器通常是由机械单元实现频率分光功能，再采用探测器件进行强度测量，以互联的形式最终实现光谱测量，从而应用于众多行业中。然而，在这样的模块组合工作机制下，往往整个系统具有体积大、重量重及成本高等问题，无法实现日益增长的原位、手持式、以及片上集成化的光谱测量需求。因此，研制新型的微型化光谱仪成为领域迫切需要突破的研究方向。

　　针对上述现状及问题，联合团队开发了一款特征尺寸小于10 μm的超微型电调谐片上近红外光谱仪（图a）。光谱测量功能的实现，仅依托于单个可电调谐的范德华异质结光电探测器。研究人员示范性地选取了具有近红外波段响应的ReS₂/WSe₂异质结进行开发论证。该范德华异质结为Type Ⅱ型能带结构，且具备层间激子跃迁可调性。针对层间激子波函数空间分离、交叠少而导致的光响应信号转换提取困难的问题，研究人员提出了重金属原子离域增强层间激子跃迁偶极矩的新思路，进而将基于层间激子的光吸收能力提升近2倍（图b）。通过理论与实验相结合的办法，研究了电场对范德华异质结层间激子跃迁能量的调控作用，实现了器件响应截止波长可调的红外响应特性（1.15~1.47 μm）（图c）。结合器件可电调谐的红外响应特性，团队提出了该器件用于光谱仪的工作原理（图d），采用回归重构的数学思想实现了近红外波段光谱测量及成像的演示，重构的光谱信息与传统商用台式光谱仪所测量的结果具有较高一致性（图e和f）。项目研究成果为光谱仪的小型化探索提供了一种潜在的解决思路。