中紅外光（波長范圍3 μm – 20 μm）因其獨特的分子指紋識別能力與強穿透性，在環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察、生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)中紅外探測器主要依賴汞鎘碲（MCT）、量子阱、量子點等材料，這些材料雖然性能優(yōu)異，但其制備工藝復(fù)雜、成本高昂，且通常需要在低溫甚至超低溫環(huán)境下運行，極大地限制了其大規(guī)模應(yīng)用與推廣。近年來，二維材料（如石墨烯、黑磷、二硫化鉬等）因其原子級厚度、高載流子遷移率、可調(diào)帶隙等特性，成為中紅外光電器件的研究熱點。特別是黑磷（BP），作為一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有從可見光到中紅外的寬光譜響應(yīng)能力，且其載流子遷移率高、暗電流低，被認(rèn)為是中紅外探測器的理想候選材料之一。然而，單一的黑磷材料在實際應(yīng)用中仍面臨穩(wěn)定性差、響應(yīng)速度有限等問題。為此，研究人員通過構(gòu)建范德華異質(zhì)結(jié)（如黑磷/二硫化鉬、黑磷/石墨烯等），利用異質(zhì)結(jié)界面處的能帶調(diào)控與載流子分離效應(yīng)，顯著提升了器件的光電性能。

在成像技術(shù)方面，單像素成像因其高靈敏度、低成本等優(yōu)勢，成為中紅外成像的重要研究方向。單像素成像系統(tǒng)通常由空間光調(diào)制器與光電探測器組成，通過采集目標(biāo)物體的光強信息并利用算法重建圖像。然而，傳統(tǒng)單像素成像技術(shù)受限于采樣速度與重建算法的效率，難以實現(xiàn)高質(zhì)量實時成像。近年來，人工智能（AI）技術(shù)的快速發(fā)展為圖像重建提供了新的解決方案。AI算法通過深度學(xué)習(xí)模型，能夠直接從低信噪比的單像素數(shù)據(jù)中重建高分辨率圖像，顯著提升了成像效率與質(zhì)量，為單像素成像技術(shù)的實用化提供了新的可能。

盡管二維材料與AI技術(shù)在中紅外探測與成像領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，但如何將二者高效結(jié)合，仍是當(dāng)前研究的難點。一方面，二維材料基光電探測器的性能仍需進一步提升，以滿足實際應(yīng)用中對高靈敏度、高響應(yīng)速度的需求；另一方面，AI算法在圖像重建中的優(yōu)化效果受限于數(shù)據(jù)質(zhì)量與計算資源，如何在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下實現(xiàn)高效成像，是亟待解決的關(guān)鍵問題。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，由深圳大學(xué)、澳門科技大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)組成的科研團隊提出了一種基于黑磷（BP）/二硫化鉬（MoS?）/六方氮化硼（hBN）范德華異質(zhì)結(jié)的高性能中紅外光電探測器，通過優(yōu)化黑磷異質(zhì)結(jié)的界面質(zhì)量并結(jié)合人工智能算法，成功實現(xiàn)了高性能中紅外光電探測器與高質(zhì)量成像系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計，為中紅外成像技術(shù)的實用化提供了新思路。這項研究以“Artificial intelligence driven Mid-IR photoimaging device based on van der Waals heterojunctions of black phosphorus”為題發(fā)表在Nanophotonics期刊上。

研究團隊通過優(yōu)化BP/MoS?/hBN異質(zhì)結(jié)的厚度與界面質(zhì)量，成功制備出寬光譜響應(yīng)（405 nm – 3390 nm）的光電探測器。圖1（a）展示了BP/MoS?異質(zhì)結(jié)器件的結(jié)構(gòu)圖，hBN覆蓋于整個BP/MoS?異質(zhì)結(jié)器件之上。為了進一步了解該器件的工作機制，研究團隊繪制了其能帶圖（如圖1（b）和圖1（c））；另外還采用拉曼光譜、光電流映射和原子力顯微鏡（AFM）對該器件進行表征，相關(guān)結(jié)果如圖1（e）至圖1（g）所示。

圖1 BP/MoS?/hBN異質(zhì)結(jié)器件在不同偏置電壓下的結(jié)構(gòu)示意圖、能帶圖、中紅外響應(yīng)曲線和光電流映射圖像

接著，研究團隊探討了BP/MoS?/hBN異質(zhì)結(jié)器件的I-V特性曲線、時間響應(yīng)特性，并計算了該范德華異質(zhì)結(jié)光電探測器在不同波長下的響應(yīng)度 （R）和特異性探測率（D*），相關(guān)結(jié)果如圖2和圖3所示。該器件在3390 nm波長下響應(yīng)度（R）達(dá)0.25 A/W，比探測率（D*）高達(dá)3.7*10? Jones，響應(yīng)速度低至7 ms，性能優(yōu)于許多已報道的二維材料基中紅外探測器。此外，該器件在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在空氣中可穩(wěn)定工作超過三個月。

圖2 BP/MoS?/hBN異質(zhì)結(jié)器件在中紅外波段（3390 nm）的光電性能表征 

圖3 BP/MoS?/hBN異質(zhì)結(jié)器件在近紅外（1550 nm）和可見光（405 nm）波段的光電性能表征

最后，研究人員使用單像素成像系統(tǒng)驗證了該BP/MoS?/hBN異質(zhì)結(jié)器件的成像能力。針對單像素成像中數(shù)據(jù)冗余與噪聲干擾的難題，研究團隊開發(fā)了一套AI驅(qū)動的自適應(yīng)成像系統(tǒng)（如圖4），融合對比度受限自適應(yīng)直方圖均衡化（CLAHE）、擴散模型（Diffusion Model）與生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）三大技術(shù)。具體而言，CLAHE預(yù)處理是通過局部直方圖均衡化增強圖像細(xì)節(jié)，將原始數(shù)據(jù)的對比度從0.227提升至0.890；擴散模型降噪是利用去噪擴散概率模型（DDPM）消除低采樣率（25%）下的隨機噪聲與模糊偽影；GAN超分辨率重建是基于條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）將圖像分辨率從730 × 394提升至2068 × 1104，邊緣清晰度提高3倍。為驗證技術(shù)的實用性，研究團隊構(gòu)建了完整的中紅外單像素成像平臺，采用機械步進電機控制掩模圖案，結(jié)合BP/MoS?/hBN異質(zhì)結(jié)器件與AI算法，實現(xiàn)了室溫下的高對比度成像。實際測試中，該成像系統(tǒng)在復(fù)雜背景噪聲下仍能準(zhǔn)確識別目標(biāo)輪廓。 

圖4 中紅外單像素成像系統(tǒng)的成像過程和成像結(jié)果

綜上所述，研究團隊通過“二維材料 + AI”協(xié)同方案，為中紅外成像技術(shù)的實用化提供了新思路。未來，通過垂直異質(zhì)結(jié)設(shè)計或光學(xué)微腔集成，可進一步提升器件響應(yīng)速度與靈敏度。此外，AI算法可拓展至采樣過程優(yōu)化，減少數(shù)據(jù)采集時間與成本。此項技術(shù)有望推動中紅外成像在無人駕駛夜視系統(tǒng)、醫(yī)療內(nèi)窺鏡、工業(yè)無損檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用，并為量子通信、高分辨光譜分析等前沿方向提供關(guān)鍵支持。