近日，紅外科學(xué)與技術(shù)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(gòu)同質(zhì)結(jié)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(xué)現(xiàn)場分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)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(shù)據(jù)處理延遲等問題，難以滿足可穿戴設(shè)備、生物傳感、無人機巡檢及產(chǎn)線在線質(zhì)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(gòu)型微型光譜儀通過探測器端編碼與算法端重構(gòu)，減少了對復(fù)雜光學(xué)元件的依賴，是實現(xiàn)光譜系統(tǒng)小型化與低功耗的重要方向。其核心在于構(gòu)建豐富且可調(diào)的光譜響應(yīng)函數(shù)庫。目前主流方案主要包括空間復(fù)用的固定響應(yīng)陣列，以及電控動態(tài)可調(diào)探測器兩類，其中范德華器件因其強可調(diào)性與超緊湊尺寸而備受關(guān)注。

鐵電調(diào)控實現(xiàn)可重構(gòu)同質(zhì)結(jié)光譜感知

針對上述技術(shù)瓶頸，研究團隊在WSe?同質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入精確鐵電調(diào)控，構(gòu)建出一種緊湊、可重構(gòu)、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(nèi)實現(xiàn)空間可重構(gòu)的PN/NP同質(zhì)結(jié)。鐵電極化提供了非易失的靜電調(diào)控能力，使得結(jié)區(qū)剖面與器件光譜響應(yīng)形態(tài)可被重復(fù)寫入與擦除，從而形成可重復(fù)調(diào)用的編碼響應(yīng)函數(shù)庫。

研究進一步設(shè)計了快響應(yīng)與慢響應(yīng)分支協(xié)同的結(jié)構(gòu)，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(gòu)的主動工作模式。

事件驅(qū)動機制實現(xiàn)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(qū)動的實時檢測策略。在待機模式下，器件保持預(yù)極化的雙結(jié)結(jié)構(gòu)，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(yīng)矩陣完成光譜重構(gòu)。該架構(gòu)將鐵電的非易失可重構(gòu)性與事件驅(qū)動的自適應(yīng)感知機制相結(jié)合，為構(gòu)建緊湊、智能、低功耗、可實時跟蹤的計算重構(gòu)型微型光譜系統(tǒng)提供了新路徑。

該研究由紅外科學(xué)與技術(shù)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(dǎo)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(xué)院B類先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金、上海市科委、中國博士后科學(xué)基金等項目支持。

緊湊、可重構(gòu)且低功耗的光譜感知平臺

論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202515132

供稿：趙倩茹

編輯：虞慧嫻