【儀表網 研發(fā)快訊】近日，紅外科學與技術全國重點實驗室在微型計算光譜與動態(tài)光譜感知方向取得重要進展，提出一種鐵電可重構同質結微型計算光譜平臺，為小型化、低功耗、實時光譜監(jiān)測提供了新的器件方案。研究成果以“Ferroelectric Reconfigurable Homojunction Miniaturized Computational Spectrometers for Dynamic Spectral Sensing”為題，發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials)上。
光譜監(jiān)測的小型化與智能化挑戰(zhàn)
光譜監(jiān)測在化學現場分析、環(huán)境監(jiān)測等領域具有不可替代的作用。然而，傳統(tǒng)高精度光譜儀普遍存在體積大、功耗高、數據處理延遲等問題，難以滿足可穿戴設備、生物傳感、無人機巡檢及產線在線質檢等移動場景對實時、動態(tài)光譜跟蹤的迫切需求。計算重構型微型光譜儀通過探測器端編碼與算法端重構，減少了對復雜光學元件的依賴，是實現光譜系統(tǒng)小型化與低功耗的重要方向。其核心在于構建豐富且可調的光譜響應函數庫。目前主流方案主要包括空間復用的固定響應陣列，以及電控動態(tài)可調探測器兩類，其中范德華器件因其強可調性與超緊湊尺寸而備受關注。
鐵電調控實現可重構同質結光譜感知
針對上述技術瓶頸，研究團隊在WSe?同質結構中引入精確鐵電調控，構建出一種緊湊、可重構、低功耗的光譜感知平臺。通過對鐵電裂柵施加互補電壓，可在同一二維通道內實現空間可重構的PN/NP同質結。鐵電極化提供了非易失的靜電調控能力，使得結區(qū)剖面與器件光譜響應形態(tài)可被重復寫入與擦除，從而形成可重復調用的編碼響應函數庫。
研究進一步設計了快響應與慢響應分支協同的結構，使平臺具備兩種工作模式：一是非易失、近零功耗的待機監(jiān)測模式；二是面向動態(tài)光譜重構的主動工作模式。
事件驅動機制實現動態(tài)實時感知
在動態(tài)光譜感知方面，團隊提出了事件驅動的實時檢測策略。在待機模式下，器件保持預極化的雙結結構，以近零功耗通過電流失衡被動監(jiān)測瞬態(tài)光譜變化；一旦檢測到變化，系統(tǒng)立即切換至主動測量模式，掃描柵壓并基于編碼響應矩陣完成光譜重構。該架構將鐵電的非易失可重構性與事件驅動的自適應感知機制相結合，為構建緊湊、智能、低功耗、可實時跟蹤的計算重構型微型光譜系統(tǒng)提供了新路徑。
該研究由紅外科學與技術全國重點實驗室王旭東青年研究員、沈宏研究員和伍帥琴副研究員共同指導完成，在讀博士生趙倩茹為論文第一作者。研究工作獲得了中國科學院B類先導專項、國家自然科學基金、上海市科委、中國博士后科學基金等項目支持。
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