短波红外（SWIR）波段（0.9-2.5 μm）在光学通信、医疗诊断、工业制造和环境监测等领域具有独特优势，其穿透能力优于可见光，分辨率高于中远红外成像。然而，传统短波红外成像技术面临着诸多挑战：例如短波红外焦平面阵列（FPA）传感器成本高昂、工艺复杂；现有材料如InGaAs、HgCdTe等带隙较小，暗电流抑制困难，需要低温工作；与硅基技术不兼容，集成难度大等。二维 （2D） 材料在光探测领域的突破为短波红外成像技术的提升开辟了新的可能性。然而，使用二维材料制造高密度探测器阵列仍然存在挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，为突破这些限制，中国科学院合肥物质科学研究院与郑州大学组成的联合研究团队开发了基于MoTe₂/Si异质结光电二极管的新型短波红外计算成像系统。该系统巧妙地将单像素成像（SPI）技术、哈达玛谱算法与高性能MoTe₂/Si探测器相结合。其中，作为过渡金属二硫族化合物家族中的重要半导体，MoTe₂具有适中的带隙和优异的光电特性，可与硅形成的异质结，表现出独特的光电转换能力。相关研究成果以“Computing imaging in shortwave infrared bands enabled by MoTe2/Si 2D-3D heterojunction-based photodiode”为题，发表在InfoMat期刊上。
研究团队首先开发了基于MoTe₂/Si二维-三维异质结的高性能光电二极管。该器件展现出优异的光电特性。该器件的超宽光谱响应范围达到265 nm-1550 nm，实现高灵敏度，980 nm下线性动态范围高达123 dB，响应度达0.33 A/W，外量子效率达43%，探测率超过2.9×10¹¹ Jones，快速响应上升时间达到22 μs、下降时间达到96 μs。光电器件的卓越性能为高质量的短波红外计算成像奠定了先决条件。
图1 MoS₂/Si异质结光电二极管器件结构
图2 MoS₂/Si异质结光电二极管光电特性
基于该高性能光电二极管，研究人员构建了一种新型短波红外计算成像系统。该系统采用单像素成像技术，结合哈达玛谱算法，实现了128×128像素的高分辨率短波红外成像。在25%的低采样率下，仍能获得高质量的图像和边缘提取结果。该系统展现出优异的抗散射成像能力。即使在强散射环境下，仍能在1550 nm波长处实现高质量的目标边缘成像。这一特性使得该系统在复杂环境下的短波红外成像应用中具有显著优势。
图3 典型单像素成像系统原理图
研究人员探究了不同采样率下的成像质量。结果表明，在6.25%的采样率下即可基本实现图像分辨，25%的采样率下可获得高质量的还原图像。这种低采样率下的高质量成像能力，大大提高了系统的成像效率。此外，该研究还开发了直接获取目标边缘信息的算法，通过对哈达玛模式进行边缘滤波，实现了目标水平、垂直和45度方向边缘的同步获取，提高了边缘提取的效率。在25%的采样率下，获得的边缘结果与全采样结果的相似度高达98%。该系统在多光谱成像和抗散射短波红外成像方面展现出卓越性能，为二维材料在短波红外成像领域的应用开辟了新的途径。
图4 短波红外计算成像系统的成像结果
这种新型短波红外系统不仅克服了传统阵列探测器的局限性，还实现了高质量、低采样率的短波红外波段成像和边缘提取，为二维材料在短波红外成像领域的应用开辟了新的可能性，有望在室温下实现高空间分辨率、低成本的短波红外成像。
https://doi.org/10.1002/inf2.12618
