中國教育報-中國教育新聞網訊（記者 方夢宇）近日，中國科學技術大學孫海定教授聯合武漢大學劉勝院士團隊，成功研制出微型紫外光譜儀，并實現片上光譜成像。該光譜成像儀基于新型氮化鎵基級聯光電二極管架構，并與深度神經網絡算法融合，實現了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像，其光譜響應速度達到超快納秒級。相關成果于9月26日在線發表于《自然·光子學》。

光譜信息被稱為物質的“光基因”，能夠揭示組成與特性。光譜成像技術可同時獲取光譜與空間信息，在成分分析、環境監測、衛星遙感和深空探測等領域具有重要價值。但傳統光譜儀依賴光柵分光和機械掃描，系統復雜、體積龐大、價格高昂，難以滿足便攜式和實時化檢測需求。尤其在對生物制藥和有機物檢測至關重要的深紫外/紫外波段，由于材料與工藝限制，片上微型紫外光譜成像技術長期處于空白，成為制約該領域發展的關鍵瓶頸。

為此，孫海定團隊聯合國內外研究學者提出了一種氮化鎵基級聯光電二極管架構，研制出工作于紫外波段的微型光譜成像儀，實現了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像。該結構由上下兩個不對稱p-n二極管垂直級聯組成，可在兩英寸和更大尺寸的晶圓上陣列化制備。器件通過外加偏壓調控載流子的波長依賴傳輸行為，實現電壓可調的雙向光譜響應，并結合深度神經網絡算法，可對未知光譜進行高精度重構。該光譜成像儀工作波段覆蓋250至365納米的紫外波段，光譜分辨率可達到0.62納米，約10納秒的超快響應速度。基于此，研究團隊進一步實現片上光譜空間一體化成像陣列，并成功地對不同有機物質，如橄欖油、花生油、動物油脂和牛奶等液滴進行了空間分辨與單次直接成像，顯示出它們在食品檢測和分子識別等方面的應用潛力。

該研究提出并實現了利用寬禁帶氮化物半導體作為微型光譜成像儀的材料載體。未來，通過調控材料組分和摻雜，或采用二六族和三五族半導體材料，該架構可以將工作范圍擴展至可見光和紅外波段。同時，由于工藝完全兼容現有大規模半導體制造工藝，器件尺寸還可縮小至亞微米甚至納米級，可實現更低成本更高分辨光譜成像。研究團隊預計，其成本有望降至傳統光譜儀的百分之一。正如硅基CCD/CMOS技術推動數碼相機普及一樣，這枚新型微型光譜成像儀的研制成功，為下一代小型化、便攜式和可穿戴光譜技術的普及提供了新的思路和解決方案。