南京邮电大学高丽教授AFM:基于肖特基势垒调制的具有高重建精度和小尺寸的二维微型光谱仪

成果介绍

片上计算光谱仪通过摒弃笨重的色散元件，为发展集成光电系统展现了重要潜力。二维范德华异质结为实现此类微型化器件提供了极具吸引力的平台，然而，复杂的制备工艺和难以避免的界面缺陷严重阻碍了其应用。因此，人们越来越需要采用通用调制策略的简化器件结构。

鉴于此，南京邮电大学高丽教授团队展示了一种基于单个二维半导体光电晶体管、通过范德华接触实现的微型计算光谱仪。该方法能有效抑制费米能级钉扎，从而实现肖特基势垒的动态调制以及与波长相关的显著反双极光响应。该器件尺寸仅约73 µm²，能够在可见光范围（380–680 nm）内精确重建单色光及宽谱光，平均重建精度约为0.75 nm，光谱分辨率低于10 nm。这种通用型架构为超紧凑高光谱成像、光谱传感及片上光电集成提供了一条有前景的路径。

图文导读

图1 基于单一材料的肖特基结光谱仪工作原理。（a）栅压可调的Au-WS₂-Au肖特基结器件示意图。蓝色和黄色球体分别代表电子和空穴。右图插图为通过改变栅极电压动态调制Au-WS₂肖特基势垒。左上插图为WS₂材料的原子结构图。（b）肖特基结光谱仪的工作流程。预先标定光谱响应度矩阵后，通过测量光电流响应并求解线性方程，重建未知光谱。（c）不同波长下的转移特性曲线（V_ds = 0.3 V），显示出明显的反双极输运行为以及峰值位置的移动。（d）光谱响应度（R）随波长（380–680 nm）和栅极电压的变化关系，呈现出显著的非线性特性。（e）在635 nm波长下，不同栅极电压时光电流（I_ph）与入射光功率密度（P_in）之间的线性依赖关系。

图2 肖特基结器件中的栅压调制机制。（a）V_ds = 0 V时的转移曲线。在V₀处光电流极性反转表明空穴与电子输运达到平衡。（b）对数坐标下的转移特性曲线（V_ds = 0.3 V），定义了三个区域：I区（空穴主导）、II区（集体输运）、III区（电子主导）。反双极峰与暗电流最小值位置重合。（c）空间分辨的光电流分布图（V_ds = 0 V）。电流仅产生于接触电极处，证实了背对背肖特基结的存在。（d）偏压依赖的光电流分布图（V_g = −30 V）。外加偏压增强了左侧接触处的电流（0.3 V），同时抑制了右侧接触处的电流。（e）输出特性曲线：整流极性反转（−25 V至−20 V）与反双极峰相关。虚线表示在0.3 V时I_ds呈现非单调变化。（f）能带示意图。V_g调制费米能级（E_f），从而调控载流子输运的不对称性（W_L > W_R）以及区域之间的转变。

图3 光谱重建性能。（a）器件响应度矩阵 R。x轴：波长（380–680 nm，步长5 nm）；y轴：栅极电压（−30 至 0 V，步长0.5 V）。（b）单色光重建。实线和虚线分别为真实光谱与重建光谱。（c）峰值波长精度。真实峰值与重建峰值之间的偏差（平均误差：0.746 nm）。（d）光谱分辨率，展示低于10 nm的双峰分辨能力。（e）LED光谱重建。蓝色和黄色曲线为真实光谱，虚线为重建结果（峰值误差 <1 nm）。（f）宽带光源重建，显示重建光谱与真实光谱高度吻合。

图4 用于材料识别与分类的高光谱成像。（a）空间扫描高光谱成像系统示意图。卤素灯发出的光经过带通滤光片后照射到字符图案掩模版（“南邮”）上。（b）扫描过程中代表性像素的光电流随栅极电压（V_g）的变化关系。（c）两种带通照明下的重建透射光谱（虚线：所选光谱波段）。（d）选定波段下本器件与商用光谱仪的成像结果对比。（e）样品结构（SiO₂/Ag/PMMA/Ag）以及通过旋涂法控制PMMA厚度（355–135 nm）。（f）不同厚度PMMA样品的参考透射光谱（波长范围：380–680 nm），由商用光谱仪测得。红色和蓝色虚线分别表示两类光谱特征峰。（g）基于光谱相似性分析（加权相关系数与光谱角）得到的混淆矩阵，利用重建光谱对六种材料实现了70.3%的分类准确率。

结论与展望

这项工作展示了一种微型化计算光谱仪，其器件尺寸仅为约73 µm²，可在可见光范围（380–680 nm）内工作，并利用栅压可调的反双极肖特基结实现光谱探测。该器件实现了亚纳米级的重建精度（平均绝对误差：0.746 nm）和10 nm的光谱分辨率，并能有效进行光谱分类。其工作原理依赖于栅极调制的肖特基势垒，产生强非线性且与波长相关的光响应，为光谱重建提供了高维编码基础。这种全电学方法无需复杂的光学元件，并在优化的栅极偏置下具有高比探测率。此外，研究进一步展示了该器件在高光谱成像和材料分类中的应用，实现了超过70%的识别准确率。该策略可推广至其他二维材料（如WSe₂），并通过厚度工程调控其性能。

作者表示：当前的局限性包括光谱探测范围和光谱分辨率。探测范围受材料带隙限制仅覆盖可见光区域，未来可采用窄带隙二维材料将其扩展至红外波段。至于光谱分辨率，除了在响应度矩阵采集中优化标定步长外，还可通过优化器件结构进一步提升。例如，在照明区域内引入多个肖特基结和异质结，形成横向肖特基-pn-肖特基结结构，可产生更丰富的波长依赖光响应，从而提高响应度矩阵的质量。该架构为实现芯片集成的光谱仪阵列提供了可扩展的路径，并凸显了基于二维材料肖特基结在动态光电系统中的广阔潜力。尽管目前的机械转移工艺限制了大规模阵列集成，但可以通过开发改进的转移技术来实现多个电极的并行对准，从而解决这一挑战。例如，采用介质层辅助的电极结构，随后去除介质层，是一种有前景的策略，可实现阵列化电极的转移，同时避免金属直接蒸镀到半导体表面。此外，已有研究表明，石墨烯辅助的金属转移印刷技术能够实现高良率、晶圆级均匀晶体管阵列的集成。

文献信息

Y.Yu, Q.Li, J.Hu, et al. “Two-Dimensional Miniature Spectrometer With High Reconstruction Accuracy and Small Footprint Based on Schottky Barrier Modulation.” Advanced Functional Materials (2026): e00074.

文献链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202600074

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