【今日分享】電子科技大學(xué)蔣亞?wèn)|/王軍團(tuán)隊(duì)AM：用于低延遲非接觸手勢(shì)交互的硅基半金屬異質(zhì)結(jié)寬帶探測(cè)器

非接觸式人機(jī)交互技術(shù)因其在空間時(shí)間信息獲取和細(xì)菌隔離方面的顯著優(yōu)勢(shì)，在人工智能、智能家居、自動(dòng)駕駛和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。手勢(shì)識(shí)別作為一種傳遞人類信息和表達(dá)直觀意圖的非接觸式交互常用方法，提供了靈活的控制、高效的信息傳輸和便利性。然而，在各種復(fù)雜場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)手勢(shì)信號(hào)的實(shí)時(shí)、快速、精確、低能耗檢測(cè)與識(shí)別以及無(wú)縫交互，仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

當(dāng)前非接觸式手勢(shì)識(shí)別方法旨在捕捉和解釋人類手部的物理特性以實(shí)現(xiàn)直觀交互，主要利用濕度傳感器、機(jī)械傳感器和光電探測(cè)器等技術(shù)。這些系統(tǒng)經(jīng)常因傳感器本身的響應(yīng)時(shí)間或系統(tǒng)的處理能力而遇到性能限制，從而導(dǎo)致明顯的延遲問(wèn)題。這種延遲會(huì)大大降低用戶界面的響應(yīng)性，影響交互的自然流暢性。當(dāng)系統(tǒng)延遲超過(guò)150毫秒時(shí)，用戶就能明顯感知到，這可能會(huì)導(dǎo)致不適并降低整體用戶體驗(yàn)。特別是，濕度傳感器因其響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而受到批評(píng)，這通常會(huì)導(dǎo)致識(shí)別和交互中出現(xiàn)數(shù)秒的延遲。另一方面，對(duì)于手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)的需求日益增長(zhǎng)，這些系統(tǒng)不僅需要在各種環(huán)境條件下表現(xiàn)出高精度和魯棒性，還要具備強(qiáng)大的抗干擾能力。

雖然機(jī)械傳感器（包括基于摩擦電效應(yīng)和電容原理的傳感器）和光電探測(cè)器（利用可見(jiàn)光陰影檢測(cè)）提供了更快的響應(yīng)速度，但其性能可能會(huì)受到多種外部因素的負(fù)面影響，如皮膚附近的電荷積累、佩戴手套以及環(huán)境光照條件的變化。鑒于人體輻射主要位于長(zhǎng)波紅外光譜范圍內(nèi)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注開(kāi)發(fā)通過(guò)熱堆傳感器和熱電探測(cè)器檢測(cè)紅外輻射的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對(duì)環(huán)境干擾的抵抗力更強(qiáng)，具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠在各種天氣條件下工作。盡管具有這些優(yōu)勢(shì)，但這些技術(shù)在最小化設(shè)備響應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)延遲方面仍然面臨挑戰(zhàn)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)即時(shí)和無(wú)縫的手勢(shì)交互至關(guān)重要。

在此，電子科技大學(xué)蔣亞?wèn)|/王軍團(tuán)隊(duì)在本文中展示了一種基于半金屬異質(zhì)結(jié)的高靈敏度超寬帶光電探測(cè)器。論文通訊作者為于賀副教授、廖宇龍研究員和王軍教授，第一作者是博士研究生練蕓路。該團(tuán)隊(duì)巧妙地利用了鉑硒化物（PtSe?）——一種以寬光譜吸收能力和卓越載流子遷移率著稱的拓?fù)浒虢饘伲@對(duì)于顯著增強(qiáng)紅外檢測(cè)性能具有不可估量的價(jià)值。近期研究表明，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的化學(xué)氣相傳輸（CVT）工藝引入硒空位，成功將雙層PtSe?的帶隙調(diào)整至長(zhǎng)波紅外（LWIR）區(qū)域，其能量低至約0.11 eV。另一項(xiàng)研究則展示了集成了TiO?/Au光學(xué)腔的PtSe?光導(dǎo)體，在8.35μm波長(zhǎng)的LWIR照射下，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)54 mA W?1的卓越響應(yīng)度，并且在白光照射下展現(xiàn)出54 ns的快速光響應(yīng)時(shí)間。

盡管PtSe?等半金屬材料擁有諸多優(yōu)勢(shì)，但其窄帶隙特性往往導(dǎo)致室溫下暗電流增加，這為光探測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。為了克服這一難題，該團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的硅基半金屬異質(zhì)結(jié)方案，通過(guò)能帶對(duì)齊策略精準(zhǔn)調(diào)控異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘。他們借助能帶對(duì)齊理論與先進(jìn)的技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（TCAD）模擬，細(xì)致調(diào)整了Si的摻雜濃度、半金屬層厚度等關(guān)鍵參數(shù)，不僅促進(jìn)了光載流子的高效傳輸與收集，還有效降低了載流子復(fù)合速率，進(jìn)而拓寬了檢測(cè)光譜范圍，使其覆蓋至長(zhǎng)波紅外領(lǐng)域。

此外，團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了PtSe?薄膜的戰(zhàn)略性垂直生長(zhǎng)技術(shù)和垂直異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并巧妙地將石墨烯層作為電荷收集的上電極集成其中，這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)協(xié)同作用下，顯著提升了設(shè)備的檢測(cè)速度。因此，該團(tuán)隊(duì)成功研制出一種室溫光探測(cè)器，其靈敏度卓越、光譜范圍廣泛且響應(yīng)迅速。該設(shè)備在檢測(cè)人手釋放的紅外輻射方面表現(xiàn)尤為突出，為最先進(jìn)的紅外手勢(shì)識(shí)別和交互系統(tǒng)（IGRIS）的開(kāi)發(fā)注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。

IGRIS系統(tǒng)憑借極低的延遲和能耗，即便在高濕度環(huán)境或用戶佩戴手套等復(fù)雜條件下，也能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)可靠的交互體驗(yàn)。該系統(tǒng)在精確軌跡追蹤、快速敲擊響應(yīng)、無(wú)縫網(wǎng)頁(yè)縮放及高效開(kāi)關(guān)控制等方面展現(xiàn)出卓越性能，充分證明了其在各類現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的廣泛應(yīng)用潛力。王軍團(tuán)隊(duì)的這一系列策略，無(wú)疑為非接觸式人機(jī)交互系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展描繪了一幅清晰且有效的藍(lán)圖。?

圖 1 IGRIS在日常生活場(chǎng)景中的應(yīng)用示意圖。

圖 2 PtSe 2 /Si異質(zhì)結(jié)的能帶對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化。

圖 3 Gr/PtSe 2 /Si器件的光電探測(cè)性能。

圖 4 光電探測(cè)器的響應(yīng)速度和通信應(yīng)用。

圖 5 IGRIS建設(shè)及各場(chǎng)景應(yīng)用示范。

利用硅基半金屬異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器進(jìn)行精確手勢(shì)識(shí)別和無(wú)縫人機(jī)交互，使我明白了NGRI的基本原理及IGRIS（紅外手勢(shì)識(shí)別和交互系統(tǒng)）的開(kāi)發(fā)原理，以及硅基半金屬異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的制備流程及其基本原理。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202404336