导读

光谱仪在材料表征、工业测试和图像传感等领域中具有不可替代的重要作用。然而，传统光谱仪通常依赖于笨重的光学元件和长光路设计，这不仅限制了它们的便携性和集成性，还在一定程度上阻碍了高性能小型化的发展。单像素计算光谱仪因其具有高集成度、小体积和高重构精度而成为重要的发展方向。这类光谱仪利用智能算法和先进材料，实现了光谱分辨率和重构精度的大幅提升，为突破传统光谱仪局限提供了一种可能的方案。

二维材料由于具备原子级可调性和强烈的光与物质相互作用，使得基于其研制的微型计算光谱仪有望在不牺牲性能的情况下实现光谱分辨率和重建精度的提升。然而，目前报道的微型计算光谱仪仍然面临一些限制，例如：栅极电压调制下的费米能级调控范围有限、暗电流难以抑制，以及光生电流和入射光之间的线性关系导致的光响应矩阵维度受限等，这些问题不同程度的阻碍了更高精度计算光谱学科的发展。

针对上述挑战，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术全国重点实验室联合国内多家单位，研发了一种非线性忆阻计算光谱仪原型器件。通过Pd离子迁移来实现光子忆阻器的独特能带调控，并结合神经网络重建算法，实现了高精度的光谱重构。该研究将光子忆阻器与神经网络结合，突破了传统设计的限制，为重新定义光谱分辨率、精度和小型化的标准提供了有益的参考。

这一研究成果以“Nonlinear Memristive Computational Spectrometer”为题在线发表在《Light: Science & Applications》期刊上。博士研究生李鑫为第一作者，李冠海研究员为通讯作者，陈效双、陆卫研究员为本项目提供了重要指导。此外，上海科技大学、国科大杭州高等研究院和上海量子科学研究中心等单位也为本研究提供了协助。本项目得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委和中国科学院的资助。

研究内容

如图1所示，这款非线性忆阻计算光谱器件对不同波长和光功率表现出非线性响应，这得益于在不同忆阻状态下的偏置电压调节。通过Pd离子的调控，器件的能带结构可以得到精确控制，从而改变顶部WSe₂层的极性，实现更广的调节范围。EDS分析结果证实了Pd离子在通道内的有效迁移，且这种非线性行为源于Pd离子独特的迁移和弛豫动力学机制，与以往报道的器件有明显差异。该器件的响应矩阵在不同功率和波长下展示了其在不同光照场景下的非线性行为。

图1. 基于非线性光子忆阻器的微光谱仪的架构和功能概述

非线性忆阻计算光谱仪的优势：

1. 更大的光谱响应度

该设计采用WSe₂同质结，在动态能带演化过程中形成最优的PIN能带结构，有效减少了光生载流子在能带不匹配时的阻挡现象，与传统异质结相比，响应度更高。

2. 更宽的能带调控范围

传统的微型计算光谱仪通常依靠栅压、斯塔克效应或偏置电压来改变材料的费米能级或能带结构，以构建多种能带态解析光谱信息。本研究基于Pd离子迁移的动力学调控，实现了材料能带结构从强p型掺杂到强n型掺杂的动态调整。

3. 更高精度的光谱重建

传统的微型光谱仪依赖于确定的能带对特定波长光谱的确定响应度进行解析。而在本研究中，由于Pd离子在扫描电压过程中的动态迁移，即使初始光谱差异不大，在迁移过程中也会被放大。这种非线性行为显著提高了基于神经网络的光谱重建的精度。

图2. 光子忆阻器中的能带演化

总结与展望

研究团队提出的计算光谱仪原型器件展示了光子忆阻器与神经网络结合在提升光谱重构精度和准确性上的潜力。通过Pd离子在忆阻器中的迁移实现了宽能带调控的能力，为非线性光响应提供了新的维度。这项技术不仅扩展了能带调控范围和重构精度，还提供了一种精确重建未知光谱的新方法，为突破传统方法的限制提供了一种新的可能。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01703-y