南京邮电大学高丽教授 Adv.Funct.Mater.——基于肖特基势垒调制的、具有高重建精度和小型化结构的二维微型光谱仪

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光谱仪通过解析光的波长与强度信息，在材料分析、环境监测和光谱成像等领域具有重要作用，但传统光谱仪依赖光栅、干涉仪或探测器阵列等分光组件，通常存在体积大、光路长、难以集成等问题，难以满足便携化和实时化需求。为此，基于计算重建的新型微型光谱技术逐渐兴起，其通过建立入射光与空间或时间调制之间的映射关系，并结合线性代数或机器学习算法实现光谱重构，其中包括电学调制和光学调制两类主要策略。相比之下，单像素计算光谱仪因器件尺寸小、无需外部分光编码器而受到广泛关注，尤其是依靠探测器内部光响应调制的方案，在器件小型化和片上集成方面展现出明显优势。尽管基于范德华异质结构的器件已实现较高性能，但其仍面临界面缺陷多、载流子陷阱和非辐射复合明显、制备过程复杂以及一致性不足等问题，因此研究正逐步转向结构更简单、工艺更稳健的单一材料体系，如半悬浮MoS₂同质结和范德华金属/半导体形成的肖特基结等。特别是二维材料肖特基晶体管中可通过势垒工程和载流子动力学调控实现栅压可调的反双极输运行为，这种特性能够在单器件中建立栅压调控与波长响应之间的物理耦合关系，为高精度光谱重构提供基础。然而，由于金属沉积过程中普遍存在费米能级钉扎效应，单一半导体器件中光响应的有效调控仍面临挑战，因此在此类架构中引入范德华接触成为实现高性能光谱探测的关键。

南京邮电大学高丽教授构建了一种基于WS₂半导体与范德华Au接触的高性能肖特基结单像素计算光谱仪。器件在光照下表现出明显的波长依赖反双极输运行为，其本质来源于Au/WS₂界面肖特基势垒在栅压作用下的可调控特性。基于器件光响应矩阵和定制的光谱重构算法，该器件能够在仅0.3 V工作电压下实现可见光范围（380–680 nm）的单像素光谱探测，并在仅约73 µm²的极小尺寸下获得与已有工作相当甚至更优的性能。其单色光重构精度约为0.75 nm，在10–70 mW/cm²光强范围内均可实现小于10 nm的光谱分辨率；同时，肖特基界面将暗电流抑制至约10⁻¹⁵ A，使器件获得约10¹³ Jones的高比探测率。进一步的高光谱成像和材料分析验证表明，该器件在实际应用中已可达到接近商用光谱仪的性能水平，体现出在高集成度微型光谱系统中的应用潜力。该文章以“Two-Dimensional Miniature Spectrometer With High Reconstruction Accuracy and Small Footprint Based on Schottky Barrier Modulation”为题发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上。

图2-栅压调控肖特基势垒的物理机制：图2进一步揭示了器件实现波长可分辨光响应的内在机制。零偏压下的转移特性显示，光电流会在特定栅压处发生极性反转，表明栅压调控已足以重构载流子的主导输运类型；而在小源漏偏压下，器件可分为以空穴主导、电子—空穴协同以及电子主导的三个输运区间，其中反双极峰值与暗电流极小值出现在相近栅压范围，说明该处界面势垒最有利于光生载流子分离而最不利于暗态载流子注入。空间分辨光电流映射进一步表明，光响应主要起源于金属/半导体接触区，直接验证了器件工作机制来源于背靠背肖特基结而非均匀沟道本体。结合输出特性和能带示意图可以看出，栅压通过调节WS₂费米能级位置改变两侧接触势垒的相对关系，从而驱动整流方向、短路电流极性以及反双极峰位置的演化。该图实质上说明，栅压可调肖特基势垒是单器件实现光谱编码的关键。

图3-光谱重构性能验证：图3主要展示该单像素光谱仪在光谱重构任务中的性能。器件的响应矩阵在波长和栅压两个维度上呈现出清晰而复杂的非线性纹理，这意味着不同波长对应不同的电响应特征，可用于建立可逆映射关系。在此基础上，器件对多组窄带单色光的重构结果与商用光谱仪测得的真实光谱高度吻合，峰位平均误差仅约0.746 nm，显示出较高的单色重构精度；对于双峰分辨测试，其光谱分辨率可达到10 nm以内。进一步地，无论是双峰LED光源还是宽带光源，器件的重构结果都能较好复现真实谱线形貌，表明其不仅适用于单色识别，也具备对复杂连续光谱进行稳定重建的能力。该图说明，该器件在极小尺寸下已经实现了兼顾高精度和可见光宽谱段工作的单像素计算光谱探测。

图4-高光谱成像与材料识别应用演示：图4将器件性能进一步扩展到实际应用层面，验证其在高光谱成像和材料分类中的可行性。图中首先构建了一个空间扫描式高光谱成像系统，通过预先确定目标谱段对应的最佳响应栅压，再在固定栅压下逐点扫描目标图案，实现特定波长信息的空间成像。结果表明，器件对不同带通滤光条件下目标图案的成像结果与商用光谱系统获得的参考图像具有较好一致性，说明该单像素器件已能够完成从“光谱识别”到“光谱成像”的功能拓展。进一步地，作者构建了不同PMMA厚度的多层薄膜样品，并基于重构光谱与参考谱线之间的相似性完成材料分类，所得平均识别准确率达到70.3%，显著高于随机猜测水平。该图表明，这种基于肖特基势垒调制的二维微型光谱仪不仅能够进行高精度谱线重建，也具备面向高光谱成像和材料分析的实际应用潜力。

【文献总结】

本工作构建了一种基于栅压可调反双极肖特基结的微型计算光谱仪，在仅约73 µm²的器件面积内实现了可见光范围（380–680 nm）的单像素光谱探测与重构。该器件依赖栅压调控肖特基势垒所产生的强非线性、波长依赖光响应，建立起用于光谱反演的高维编码基础，从而无需传统复杂分光光学元件即可实现平均误差约0.746 nm的亚纳米级重构精度和约10 nm的光谱分辨率，并保持较高比探测率。进一步的高光谱成像和材料分类结果表明，该器件已能够支持实际光谱应用，其中材料识别准确率超过70%。同时，这一策略具有良好的可拓展性，可推广至WSe₂等其他二维材料体系，并可通过厚度工程进一步调节性能。当前其主要限制在于探测波段仍受材料带隙限制于可见光范围、光谱分辨率仍有提升空间；未来可通过引入窄带隙二维材料拓展至红外波段，并通过构建更复杂的横向Schottky-pn-Schottky结构丰富响应矩阵，以进一步提升重构能力。总体而言，该架构为片上集成光谱阵列和动态光电系统提供了可扩展的新路径，而大规模阵列集成则有望借助改进的转移电极工艺进一步实现。

文章信息：Y. F. Yu, Q. Li, J. R. Hu er al. Two-Dimensional Miniature Spectrometer With High Reconstruction Accuracy and Small Footprint Based on Schottky Barrier Modulation. Adv. Funct. Mater. e00074 (2026).

https://doi.org/10.1002/adfm.202600074