一 量子点单光子探测

研究低维纳米光电器件，尤其是基于量子点的传感探测。

量子点是一种通用的人工系统，可以用于填充电子或者空穴，量子点已经成为了一种制备单电子态的标准技术。量子点的电学性质受到两个效应的影响：（1）量子点上电荷间的静电排斥引起库仑阻塞效应；（2）量子点的尺寸效应形成离散能级影响电子动力学。因此，量子点是研究单电子自旋、光子辅助隧穿等的优良平台。

太赫兹波是频率为0.3~30 THz（波长约10 μm~1 mm，光子能量约1.2~120 meV）的电磁波，它处于红外波与毫米波之间，是电磁波谱中一个很重要的波段。太赫兹波段有大量有机分子转动和振动跃迁，半导体材料声子振动能级也在该频段范围内，可用于物质指纹识别和结构表征；该波段的光子能量低，不会破坏被检测物质，对人体及生物组织有着很高的安全性。

    单光子探测器是一种超低噪声器件，其极高的灵敏度使得它能够探测到光的最小能量级别——光子，并实现对光子的计数，获得发光物质关联特性的检测。在太赫兹频段实现可调谐的单光子探测，对于提升太赫兹成像质量和光谱分析频谱分辨率至关重要。发展太赫兹单光子探测器，有利于实现该波段的物质成分光谱分析，在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、量子成像和天文观测等领域都有着广泛的应用前景。然而，由于太赫兹频段光子能量低、传输损耗大以及器件制备工艺复杂等挑战，可调谐太赫兹单光子探测器的研发面临诸多困难。课题组旨在解决太赫兹单光子辅助隧穿的电子输运机制与可调谐检测机理等核心科学问题，构建完善的石墨烯量子点单光子探测器的器件模型，突破单光子探测器制备和测试表征技术的瓶颈，为研制宽谱、高速、低耗的太赫兹单光子探测器奠定理论和技术基础。

二 微型多光谱成像探测

研究基于微纳光机电器件的多光谱成像技术，发展自适应调谐智能多光谱成像探测与识别能力。

在信息获取、处理和传输中，传感是信息技术的源头技术。当今世界进入了智能时代，传感器技术起到了越来越突出的重要作用。从应用的角度看，传感技术是基础性、关键性和战略性高新技木，在先进制造、航天国防、环境资源、健康医药、物联网乃至智慧地球等众多领域，都有着广泛的重大需求。众多国家和地区都把传感器作为“21世纪优先发展的十大顶尖技术之一”。

光谱仪能够直接反映物质的光谱信息，得到目标的存在状况与物质成分，是材料表征、化学分析等领域最重要的测试仪器之一。随着光谱分析领域的快速发展，对光谱仪尺寸、成本和功耗的要求日益提高，对手持、便携、集成式光谱分析器件的尺寸要求达到亚毫米量级。单纯通过压缩传统系统尺寸已无法实现这些目标。

随着传感器集成化与微小化制造技术的发展，传感技术受到了前所未有的高度重视，传感器产业的规模也在不断地迅猛增长。微型光谱传感器迎来了快速发展，将为光学技术打开新的发展空间。谱学分析传感器是基于微纳技术，将传统谱学分析仪器的核心部件芯片化，并采用集成技术重新构建而成的具有对应谱学分析仪器（如色谱仪、质谱仪、离子迁移谱仪、拉曼光谱仪等）分析检测功能的传感器。基于微纳技术实现谱学分析仪器的传感器化，能大幅度减小或降低其体积、重量、功耗，并缩减分析时间，以满足当前对谱学分析仪器实时、现场、快速检测的需求。

从1990年起，各种微型谱学分析传感器逐渐出现。微型谱学分析传感器可以归纳为四大类（图1）：色散型（Dispersive optics）、窄带滤波型（Narrowband filters）、傅里叶变换型（Fourier transform）和计算重建型（Reconstructive）。其中，色散型光谱仪一般由一个或多个衍射光栅、一段光程以及一个探测阵列组成。通过缩短光程、简化光路、利用微纳制造减小元件尺寸等方法（如采用凹面光栅、光栅-菲涅耳透镜、波导等）都能实现光谱仪尺寸的减小，但是这些方法会降低光谱分辨率和仪器性能。窄带滤波器能够选择性地传输特定波长的光，实现对光谱的检测，器件平面化且不需要长光程，在系统小型化方面具有极强的优势。窄带滤波型主要分为随时间变化的单个窄带滤波片型（可调谐）和随空间变化的窄带滤波片阵列型（马赛克快照式）。傅里叶变换型（FT）光谱仪具有信噪比高、尺寸小、成本低的优势。根据FT干涉仪内的光程长度随时间变化的机制分为移动式和固定式两种。移动式基于迈克尔逊干涉仪结构，利用静电、电磁或电热驱动的微机电系统操纵反射镜，固定式基于马赫-曾德干涉仪结构，入射光被分成不同光路产生相位差，或利用干涉仪阵列形成空间外差。借助电光、热光效应，还可以进一步调制相位差。FT光谱仪的最新发展是驻波傅里叶变换光谱仪，它通过对驻波倏逝场强度的散射采样，得到相对强度空间干涉图，其光谱范围宽、分辨率高。计算重建型是一种新的光谱仪类型，它通过计算来近似或“重建”入射光光谱，主要分为光谱-空间映射型和光谱响应调制型。

图1 微型光谱仪的分类（Yang et al., Science 2021, 371, 480 ）

针对微光机电系统快速发展和市场日益增强的对多光谱成像探测微型化、轻量化、智能化等的需求，目前研究工作主要集中在突破基于静态马赛克式和动态可调谐式滤波结构的多光谱成像传感微系统的关键技术，以研制可见光-近红外波段范围内微型马赛克式、可调谐微型压电式和可调谐微光机电三种多光谱成像滤波器，以及智能化自适应微型多光谱成像传感器为目标，开展窄带滤光膜系制备、周期性多层膜分形刻蚀的像素化、大孔径法布里-珀罗腔释放、电容闭环反馈的压电控制、折叠式串联反馈电容的静电致动控制、高精度微纳光学装配、多光谱数据立方处理与目标识别等技术的研究。

    通过微型多光谱成像器件研究，预期形成新的多光谱探测技术体制，即动态可调谐的智能化可编程多光谱探测技术，有助于形成通用、微型、智能、自适应、抗干扰的多光谱探测能力。通过传感器模块与移动设备的无线连接，利用可大规模生产的移动式多光谱设备对物体光谱信息进行非侵入性分析，结合广泛的应用程序算法开发和基于云的解决方案，使得发现新的、广泛的光谱传感应用成为可能，为光谱技术从实验室高端应用走向大众消费应用奠定基础。微型多光谱成像传感器的重量、尺寸明显缩小，成本显著降低，便于二次开发，且具备智能可调谐和抗干扰的能力，非常适合移动和基于云的应用。也必将促使武器装备作战效能提高、打击能力跃升，或成为装备形态改变和战术变革出现的推动力。