[发明专利]一种基于二维材料异质结的微型红外光谱仪芯片及方法

权利要求书

1.一种基于二维材料异质结的微型红外光谱仪芯片，其特征在于，包括栅极电极即衬底(4)、栅极介电层(3)、光敏区、源漏电极，栅极电极上为一层栅极介电层，光敏区材料位于栅极介电层上，光敏区材料是由两层不同二维材料即不同的过渡金属硫族化合物层上下叠加构成的异质结；源漏电极分别对应与上述两层二维材料接触；

所述两种二维材料为过渡金属硫族化合物；光敏区的两层不同二维材料形成的异质结的能带结构为第Ⅱ类异质结能带；

所述第Ⅱ类能带结构的光响应截止波长由异质结系统中最小的跃迁能级决定，该能级的导带底和价带顶分别位于两种材料中。

2.按照权利要求1所述的一种基于二维材料异质结的微型红外光谱仪芯片，其特征在于，最小的跃迁能级大于0eV且小于构成该异质结的任意一种二维材料的禁带宽度；记一种材料(6)的最小导带E_Cmin、最大价带E_Vmax，另一种材料(7)的最小导带E’_Cmin、最大价带E’_Vmax，则E’_Vmax介于E_Cmin、E_Vmax之间，E_Cmin介于E’_Cmin、E’_Vmax之间，则异质结系统中最小的跃迁能量△E(8)＝|E’_Vmax-E_Cmin|。

3.按照权利要求1所述的一种基于二维材料异质结的微型红外光谱仪芯片，其特征在于，栅极电极即衬底为Si，栅极介电层(3)为SiO₂层。

4.按照权利要求1所述的一种基于二维材料异质结的微型红外光谱仪芯片，其特征在于，所述光谱仪芯片特征尺寸即二维材料对应二维方向的尺寸小于等于10μm。

5.采用权利要求1-4任一项所述的芯片实现光波长信息和光强度同时探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)做不同栅极电压条件下器件的光谱响应特性作为器件本身特性的标定值

针对不同波长的光做分别做光谱响应特性，即首先获得每一种波长的光的光响应特性：对应源漏电极电压不变，变化栅极电压，栅极电压至少变化3个值以上，以便产生对应的3组以上的光谱响应特性；对不同的入射光进行光谱响应特性的检测，并作为器件本身响应特性的标定值图R(V_g,λ)，R表示响应度，V_g表示栅极电压，λ表示入射波长；

(2)对待测的未知的入射光进行光波长信息和光强度信息探测

对待测的未知的入射光采用与步骤(1)同一芯片、同一源漏电极电压不变，以及相同的栅极电压变化，进行检测得到对应的未知入射光的光谱信息，然后结合步骤(1)的标定值，得到光强度；然后对未知入射光光谱信息进行还原，得到未知入射光的波长。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)得到的标定值图为：同一栅极电压为一条曲线，有多少个变化栅极电压对应为多少条曲线。

7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述入射光是单色光或/和复色光。

8.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，变化的栅极电压能够对所述第Ⅱ类能带异质结系统进行调控，在一系列变化的栅极电压下，每变化一个电压值，该电压调控下的探测器单元产生一组光谱响应电流值I_ph，等同于随着栅极电压变化，提供了一系列具有不同光谱响应特性的探测器单元。

9.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，光谱信息的还原采用最小二乘的数学思想解如下数学关系来实现，即F(λ)＝M(R,I_ph)，其中F(λ)表示未知的入射光谱，包含波长与强度，M表示非线性函数关系，R表示标定的光响应度，I_ph表示光电流。