上海技物所团队通过面内双底栅黑磷探测器的局部能带轮廓控制，在1200—1700 nm范围开展光谱重建，实现1至8峰恢复、0.45 nm平均波长识别误差和约7 nm双峰分辨率，并用于石墨烯层数识别。
上海技物所余飞龙/陈晓双/魏璐：局部能带轮廓控制实现单探测器多峰光谱重建
【研究背景】
紧凑型光谱分析技术在便携式传感、集成光子学以及芯片内材料表征等领域发挥着至关重要的作用。近年来，单探测器计算光谱仪通过绕过传统的色散或干涉光学元件，实现了器件微型化。然而，该技术在迈向实用化的过程中面临着根本性的物理挑战：随着波长变化，偏置依赖的响应曲线往往呈现平滑且非正交的演变，导致响应矩阵的有效秩降低、条件数较差。
这种物理层面的局限，使得多峰或密集分布光谱的重建对噪声及器件缺陷较为敏感。尽管现有的反演算法不断迭代，但多集中于单峰识别或少数多峰场景，其复杂度的可扩展性仍未得到深入探索。因此，如何在器件物理层面提升光谱区分度，而非仅仅依赖后端的算法反演，成为了突破单探测器计算光谱仪性能瓶颈的关键。
针对上述挑战，中国科学院上海技术物理研究所的余飞龙、李冠海、陈晓双及魏璐等研究团队，在器件物理层面提出了一种创新的解决方案。该团队设计了一种面内双底栅黑磷（BP）光电探测器，通过局部能带轮廓控制，成功在单一探测器中实现了高保真的多峰光谱重建。
相关研究成果以“Local Band-Profile Control Unlocks Multipeak Spectral Reconstruction in a Single Photodetector”为题，发表在国际学术期刊 Advanced Functional Materials 上。该工作不仅实现了亚纳米级的波长识别精度和约7 nm的双峰分辨率，还成功将其应用于石墨烯层数的高精度识别，为下一代紧凑型高性能光谱仪提供了可行的器件级策略。
图1. 面内双底栅黑磷光电探测器设计与能带调控机制
研究团队设计了一种包含全局底栅（Gate B）和局部底栅（Gate L）的面内双底栅黑磷光电探测器。其中，局部底栅的金电极能够有效屏蔽全局底栅的电场，从而实现局域化的独立调制。通过双栅的协同调控，可以在沟道中形成可调谐的局部势垒。
由于不同波长的光子会产生不同的载流子分布，这些载流子与栅控势垒相互作用，显著增强了光电流响应的对比度。例如，在1200 nm和1600 nm处，相对光电流强度甚至可以通过栅极调制实现反转。与传统的单栅参考器件相比，该双栅器件表现出更高的欧几里得距离值和更低的余弦相似度，从物理层面大幅提升了光谱特征的区分度。
图2. 光电响应特性与响应时间测试
在光电响应测试中，该器件的转移曲线呈现出不同于典型两阶段行为的三个特征区域。当局部底栅为正、全局底栅为负时，形成价带势垒；当局部底栅进一步增大时，则产生导带势垒。空间光电流测量结果也验证了内置电场方向的反转。
此外，通过增大局部底栅的值，可以使峰值响应波长发生蓝移，实现连续可调的势垒高度控制。在动态响应方面，该器件展现出优异的高速性能，在520 nm和1550 nm光照下，其上升和下降时间仅为约160至210微秒，响应时间远低于毫秒级，满足了快速光谱采集的需求。
图3. 神经网络辅助的高保真光谱重建性能
为了充分挖掘器件的光谱分辨潜力，研究团队构建了全连接神经网络，包含84个输入节点（偏置采样点）、511个输出节点（频谱通道）以及三个隐藏层。在1200-1700 nm范围内，该架构实现了高保真的光谱重建。
在精细波长识别方面，以1 nm间隔对1245-1255 nm范围进行采样，中心波长的平均误差仅为0.45 nm。在双峰分辨率测试中，当双峰间距为7 nm时可清晰区分，6 nm时开始合并，即双峰分辨率约为7 nm。与现有的计算光谱仪相比，该方案兼具了宽工作带宽、亚纳米级波长识别精度以及约7 nm的双峰分辨率。
图4. 复杂多峰光谱重建
为了验证系统对复杂光谱的重建能力，研究团队选取1245-1280 nm范围内8个离散波长（间隔5 nm）作为基底，构建了涵盖1至8峰所有构型的超过200种光谱测试集。结果显示，即使是八峰光谱也能以较高的保真度被重建，准确分辨出全部八个峰位，1至8峰所有组合的谱保真度均接近1。这些结果展示了该单探测器架构对复杂多峰光谱的重建能力。
图5. 石墨烯层数识别验证
在实际应用验证中，研究团队利用该探测器编码的光透射信号进行石墨烯层数识别。传统拉曼光谱在样品厚度≥5层时特征峰趋同，区分精度显著下降；而基于该双栅光电探测器的方法在薄层和厚层样品中均表现优异。对于单层至六层及厚层石墨烯，所有样品的平均峰值概率高达0.937，能够快速、非破坏性地实现高精度分类。
该研究证明了在黑磷光电探测器中采用双栅极能带轮廓调制策略，为提升单探测器计算光谱仪中的波长可区分性提供了一种有效的器件级解决方案。这些可独立调谐的栅极可构建可重构的局部势垒，从而产生具有更优可分离性及有效矩阵条件化的波长依赖性光电流分布模式。基于这一增强的编码能力，该光谱仪实现了在1200—1700 nm近红外范围（带宽500 nm）内高精度的单峰识别、在代表性光谱窗口中验证了约7 nm的双峰分辨能力，以及在经过校准的离散波长基底内对1至8峰光谱组合进行可靠恢复。这些结果表明，双栅极机制支持对日益复杂的光谱进行可扩展重构，从而解决了单探测器架构长期存在的局限性。我们进一步将该方法应用于非破坏性石墨烯层状结构的识别。该系统能够准确区分单层与厚层样品，即使在拉曼光谱学可靠性降低的条件下亦然。这一成果凸显了该光谱仪在低维材料光学计量学中的实际应用价值。尽管基于神经网络的光谱重建方法在复杂工况下可能产生虚峰现象，但双栅极器件中波长依赖性光电流响应所具有的更好的分离性有助于降低逆映射过程中的模糊性。对于低信噪比输入信号、谱线间距较近的多峰光谱或超出训练分布范围的光谱，仍可能出现微弱的虚假特征；对此类特征的进一步抑制，则需要采用更丰富的训练光谱集及基于物理约束的重建策略。
该双栅极策略与多种半导体平台及器件结构均具有广泛兼容性，为开发面向集成光子学、便携式传感及材料表征领域的紧凑型、高性能光谱仪提供了可行途径。总体而言，本研究确立了可调谐能带轮廓编码作为一种前景广阔且通用性强的方法，可用于提升单探测器计算光谱学的检测性能。
作者：Junzhe Gu, Xin Li, Jiaji Yang, Jin Chen, Feilong Yu, Jin Rong, Zhenchu Fu, Juntong Liu, Yuxin Song, Guanhai Li, Xiaoshuang Chen, Lu Wei
标题：Local Band-Profile Control Unlocks Multipeak Spectral Reconstruction in a Single Photodetector
余飞龙：中国科学院上海技术物理研究所研究员，主要致力于新型红外光电器件物理与计算光谱学等前沿交叉领域的研究。
李冠海：中国科学院上海技术物理研究所研究员，在红外探测器材料、器件及光谱成像技术方面具有深厚的研究积累。
陈晓双：中国科学院上海技术物理研究所研究员，长期从事低维半导体光电物理与器件研究，在相关研究团队承担科研工作。
魏璐：上海科技大学物理科学与技术学院教授，研究方向聚焦于微纳光电子器件、智能感知及光电信息处理技术。
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