光谱检测在化学分析、食品检测、生物检测等领域发挥着重要的作用。传统的光谱检测设备体积庞大、价格昂贵导致其难以大规模推广，然而减小其内部光学和电学元件的尺寸将导致其性能显著下降从而无法应用，因此光谱检测设备的微型化是目前科技界面临的重大技术挑战。

    杨宗银研究员在国际上开创了基于带隙渐变半导体材料的全光谱发光与探测的一系列理论、方法和工艺的研究，实现了多个世界之最：发明了世界上最小的光谱仪和波长最宽的可调谐纳米激光器、提出了两种全新的带隙渐变纳米线的合成方法。分别从光谱探测器、光源以及新材料合成这三个方面突破了光谱检测设备微型化的核心技术瓶颈，并进行了产业化研究。

图1 研究工作总结

1. 开发出世界最小光谱仪，取得兼具小尺寸与高性能的世界性突破

    在全光谱探测方面，杨宗银在世界上首次提出集分光和探测于一体的光谱仪微型化技术方案，并基于该方案发明了世界上最小的光谱仪。该光谱仪以带隙渐变半导体材料为核心元件，采用全新计算光谱原理，器件尺寸仅几十微米，小于头发丝的直径。杨宗银已在该领域以第一作者在Science上发表论文2篇（其中一篇为研究论文，另一篇为综述）。研究论文被选为Science当期Top 5文章，受到Science编辑和审稿人的高度认可，审稿人评价：“该研究是集合了目前世界上最先进的材料合成工艺、配上最高超的器件制作水准和实验技巧、再加上巧妙的算法得到的杰作”。Science 编辑 Ian博士撰文评价：“这项研究为纳米材料在微型光谱仪中的应用铺平了道路”。英国皇家化学会专栏作家 Lowe教授，在Science 子刊上撰文，对这项工作给予了高度评价：“这项工作展示了一种全新的技术路线，将极大地减小光谱仪的尺寸和成本”。剑桥大学在官方主页上以“纳米技术颠覆牛顿的棱镜”为该研究工作进行了报道。该工作还被写进多本教材中。

图2 (a) 微型光谱仪器件照片与显微照片，核心传感器部分尺寸仅几十微米，封装成芯片后长宽小于1厘米。(b) 纳米线光谱仪工作原理示意图。(c) 微型光谱仪综述论文封面，首次把光谱仪微型化技术归类为色散型、窄带滤波型、 傅里叶变换型和计算光谱四大类。

杨宗银于2021年以第一作者在Science上撰写了微型光谱仪的综述论文。该文章规范了微光谱领域的术语，并总结出该领域的发展脉络，为将来从事这个领域的研究人员指明了方向。Science综述文章数量非常少，一般只接收在领域里非常有影响力的研究人员的投稿。文章发表后引起了学术界和工业界的广泛关注，国内外多家研究机构和企业均积极寻求合作。杨宗银的研究事迹还被浙江大学公众号（标题：失败150次后你还会坚持吗？浙大老师用2篇《科学》回答），DeepTech等国内外上百家媒体报道，获得了良好的公众影响力。

2. 完成微型光谱仪的技术迭代与产业化

    在前期理论与实验验证的基础上杨宗银研究组进行了多次技术迭代，并对接了产业界的上下游企业，完成了光谱仪手机模块的制作和测试。

图3 微型光谱仪的技术迭代与产业化。(a) 从Science论文中报道的第一代纳米线光谱仪到薄膜光谱仪，实现了光谱分辨率和灵敏度的重大飞跃，并且完成了与手机电路兼容的相机封装。(b) 在Motorola手机中测试，实现了线扫描光谱成像。

微型光谱仪技术壁垒较高，目前还没有公司有成熟的产品。从目前公开的资料判断，申报人是这个领域的领跑者，其所开发的微型光谱仪技术自主可控，不仅没被“卡脖子”，还抢占了技术制高点。

3. 开发出新型可调谐激光器

在全光谱光源方面，申报人开创性地将渐变半导体材料作为激光器的可变增益材料，发明了世界上波长最宽的可调谐纳米激光器，成果以申报人为第一作者发表在顶级期刊Nano Letters上。Nature Reviews Materials上的激光器综述文章引用并评价了该工作：“这是实现宽光谱可调纳米线激光器的重要方法”。该激光器可用在微型光谱检测设备中作为光谱照明光源，另外在光通信、军事和环境监测等领域也具备潜在的应用价值。

图4 (a-e) 通过截断带隙渐变纳米线获得不同波长激光的原理示意图。(f) 引入移动散色点实现激光波长连续可调的示意图。

4. 提出带隙渐变半导体材料的合成方法

    上述研究的开展，得益于申报人在半导体材料合成领域的突破。自然界能获得的半导体材料的带隙有限，只能在几个分立的波长范围内发光和探测，无法做到全光谱发光和探测。混合多种元素生长的多元半导体合金能在一定程度上缓解半导体材料种类的短缺，但仍无法做到全光谱的覆盖。通过连续调控成分获得的带隙渐变半导体材料具有覆盖整个光谱范围的光电特性，成为突破当前技术瓶颈的关键方向。杨宗银在世界上首次提出了以移动源和移动衬底法生长带隙渐变半导体材料，此项成果以他为第一作者分别发表在顶级期刊Nano Letters和JACS（并列一作）上，是领域的奠基之作。

图5 移动衬底法和移动源法生长带隙渐变纳米线