基于MoS2/h-BN/PdSe2垂直异质结构的传感器内双波段关联压缩感知
南京大学梁世军教授和缪峰教授团队在双波段感内关联压缩方面取得了重要进展，该成果已发表在《ACS Nano》期刊上。研究团队提出了一种基于MoS₂/h-BN/PdSe₂垂直异质结构的光探测器，该探测器能够在像素级实现红外-可见光双波段互相关压缩感知，为复杂环境下的多光谱光学信息压缩感知和处理提供了一种紧凑且高效的解决方案。
红外-可见光融合光检测在复杂场景下的目标感知中展现出巨大的潜力。然而，双波段成像会生成大量冗余数据 ，这增加了从传感终端到处理单元的数据传输延迟和通信带宽消耗，同时对计算资源提出了更高要求。为了智能机器视觉应用，需要从感兴趣的目标中提取并传输信息，而不是成像并传输视场内的所有数据。因此，探索新兴材料和替代器件结构，以实现像素级的光学信息压缩和处理，成为当前研究的迫切需求。
研究团队设计了一种由MoS₂/h-BN/ PdSe₂垂直堆叠异质结构组成的光探测器。该探测器利用红外光比可见光穿透深度更深的特性，使底部的PdSe₂/Au光伏肖特基结能够检测红外光并驱动顶部的MoS₂通道检测可见光。通过外部漏极终端施加电压，可以根据电压极性进一步增强或抑制输出光电流。探测器接收双波段光学输入，但仅输出单个电信号，从而实现像素级双波段互相关压缩感知。
图1. 利用 MoS2/h-BN/PdSe2 垂直异质结构实现像素内双波段相互关联压缩传感。(a) 像素内双波段相互关联压缩传感示意图和 MoS2/h-BN/PdSe2 垂直异质结构光电探测器的结构。该器件同时对红外和可见光图像做出响应，红外信号驱动可见光输出，在最终结果中突出人脸等特定区域。利用其内在机制，光电探测器可以进行计算和压缩，最终产生单一的电信号 IDS。插图中的三维示意图说明了该器件的原子结构、二维材料的堆叠顺序和电路连接。(b) PdSe2（下）和 MoS2（上）的能带图。PdSe2 主要依靠金属与材料之间形成的肖特基势垒分离电子-空穴对，产生 VOC；在底层肖特基结的 VOC 驱动下，MoS2 主要依靠 PC 效应在材料中部产生电子-空穴对，降低其电阻。(c) 器件的结构和等效电路配置，说明了不同层的工作模式。红外光穿透 MoS2 层，到达底层的肖特基势垒，产生 VOC。可见光主要被顶层的 MoS2 吸收，产生电子-空穴对并调节材料的电阻。
具体原理如下：
1. 器件结构与工作原理：器件具有上下连通的垂直结构，红外光可穿透MoS₂与h-BN层，到达底层PdSe₂/Au肖特基结，产生光伏响应，生成开路电压VOC。该电压通过公共金属电极施加到顶层MoS₂的源端，驱动 MoS₂产生可见光电导效应，最终输出光电流信号IDS。
2. 光响应特性测试：研究团队首先测试了器件顶层和底层材料的独立光响应特性，验证了PdSe₂/Au肖特基结的红外光伏效应和MoS₂的可见光电导效应。
3. 双波段关联光响应特性：在不同红外和可见光强度组合下，测量器件的光电流输出IDS。实验结果表明，IDS受可见光强度、红外光强度（内部VOC）和外部偏置电压VDS的共同影响。器件内部的红外-可见双波段关联光响应，使得前端传感器能够剔除冗余背景信息，仅保留感兴趣目标的信息。
图2. 单个 PdSe2 和 MoS2 沟道的光电特性。(a) 不同光照强度下 PdSe2 的漏源电流与漏源电压（ID-VD）特性，证实了光伏效应的存在。插图：器件测试装置示意图。(b) PdSe2 在不同红外光强度（Pinfrared）下的 VOC。插图：VOC 与 Pinfrared 的线性关系，带误差条。(c) MoS2 在不同光照强度下的漏源电流与漏源电压 (ID-VD) 特性，证实了 PC 效应的存在。插图：器件测试装置示意图。(d) MoS2 在不同可见光强度（Pvisible）下的光响应曲线，VD = 5 mV。插图：光电流（Iph）与 Pvisible 的线性关系，带误差条。
研究团队使用字母“NJUPHY”进行了像素内可见-红外双波段关联压缩感知的原理性实验验证。实验结果表明，该器件能够显著减少需要传输的数据量，与传统技术相比，数据压缩效果显著。此外，通过施加外部偏置电压，可进一步对目标信号进行增强或抑制，实现双波段光学信息的像素内压缩与处理。
图3. 探测器的红外-可见光双波段相互关联光响应特性。(a) 双波段光响应测试的光路示意图。由激光源发射的红外光和可见光通过分光镜结合在一起，然后聚焦并照射到设备上。光信号的开关由快门控制。PV 效应发生在底层的肖特基势垒，而 PC 效应则产生于顶层。(b) 在不同 VDS 下的不同红外光和可见光强度下测量的双波段熔融光电流 IDS。绿色阴影表示可见光强度，红色阴影表示红外光强度。上方相应位置的符号表示快门的开/关状态。
图4. 红外-可见光双波段相互关联压缩和处理。(a) 像素内双波段相互关联压缩的概念图。红外线和可见光同时照射光电探测器。可见光包含 “NJUPHY ”的六个字母，而红外光只包含 “PHY”；两者都照射到器件上。在 VDS = 0 mV 时，器件的 IDS 最终只显示 “PHY ”三个字母。(b) 在垂直异质结构光电探测器的基础上，与传统流水线相比，（a）中实例的数据量可从 7925.76 位压缩到 758.52 位。(c) 光调节结果。在 VDS = 0 mV 时，与仅有可见光照明的字母（“NJU”）相比，有红外照明的字母（目标）（“PHY”）的光电流有所增加。底部的色图表示电流值与相应颜色之间的相关性。(d) 电流调节的结果。字母 “PHY ”被应用于不同的偏置电压（-20 和 20 mV），分别显示出两种效果：增强和抑制。底部的色图表示电流值与相应颜色之间的相关性。
该研究成果为边缘端视觉感知软硬件系统的设计提供了全新的技术途径，通过在前端传感器内高效筛选 和处理感兴趣区域的信息，有效剔除了冗余数据，显著节省了通信带宽和计算资源。
图S4. a, PdSe2/Au 光电肖特基结在不同波长下的响应度。短路电流（ISC）是在 VD = 0 V 时测量的，材料显示出高达 1600 nm 的响应。b,在 50 mV 的外部偏压下，测量了材料的光电导电流。黄色虚线表示 MoS2 材料在相应波长范围内无响应。根据材料的吸收边缘，厚度约为 30 纳米的 MoS2 的带隙估计约为 1.4 eV。
本文中MoS2变波长响应率数据（图S4）使用我司 “ MStarter 200高精度光电流扫描测试显微镜 ” 测试得到。
MStarter 200高精度光电流扫描测试显微镜
In-Pixel Dual-Band Intercorrelated Compressive Sensing Based on MoS2/h-BN/PdSe2 Vertical Heterostructure
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15453
