非接触式手势识别和交互（NGRI）彻底改变了自然用户界面，从根本上改变了人类与日常使用技术的交互。传统的NGRI系统经常遇到障碍，例如明显的延迟和环境干扰，包括湿度或照明条件，从而导致系统的流动性和稳健性受到影响。鉴于人体辐射主要位于长波红外光谱范围内，人们越来越关注开发利用热电堆探测器和热释电探测器来探测红外辐射的手势识别系统。这些系统对环境干扰的抵抗力更强，具有更低功耗，并且能够在各种条件下工作。尽管具备这些优势，但这些技术在器件尺寸微型化、响应时间以及系统延迟等方面仍然面临挑战，这对于实现即时和无缝的手势交互至关重要。
图1 红外手势识别和交互系统（IGRIS）在日常生活场景中的应用
据麦姆斯咨询报道，电子科技大学蒋亚东/王军教授团队推出了一款硅基半金属异质结构的高灵敏度、超宽带光探测器，为构建低延迟、节能且适用于多元化场景的非接触手势交互系统奠定了坚实基础。相关研究成果以“Band Alignment Semimetal Heterojunction-Based Ultrabroadband Photodetector for Noncontact Gesture Interaction with Low Latency”为题，发表在Advanced Materials期刊上。电子科技大学博士研究生练芸路为论文第一作者，于贺副教授、廖宇龙研究员和王军教授为共同通讯作者。电子科技大学电子薄膜与集成器件全国重点实验室为论文唯一单位。
该研究团队在探测器制备中巧妙地利用了铂硒化物（PtSe₂），PtSe₂是一种以宽光谱吸收能力和卓越载流子迁移率著称的拓扑半金属，这对于显著增强红外探测能力具有不可估量的价值。通过精心设计的化学气相传输（CVT）工艺引入硒空位，成功将双层PtSe₂的带隙调整至长波红外（LWIR）区域，其能量低至约0.11 eV。有研究则展示了集成了TiO₂/Au光学腔的PtSe₂光导体在8.35 µm波长的长波红外光照射下，实现了高达54 mA·W⁻¹的卓越响应度，并且在白光照射下展现出54 ns的快速光响应时间。
图2 PtSe₂/Si 异质结的能带对准设计和参数优化
尽管PtSe₂等半金属材料拥有诸多优势，但其窄带隙特性往往导致室温下暗电流增加，这为光探测技术的实际应用带来了不小的挑战。为了克服这一难题，研究团队提出了一种创新的硅基半金属异质结方案，通过能带对齐策略精准调控异质结势垒。研究人员借助能带对齐理论与先进的技术计算机辅助设计（TCAD）模拟，细致调整了Si的掺杂浓度、半金属层厚度等关键参数，不仅促进了光载流子的高效传输与收集，还有效降低了载流子复合速率，进而拓宽了光谱探测范围，使其覆盖至长波红外领域。
研究人员利用PtSe₂厚度和Si衬底掺杂浓度的最佳参数制备了PtSe₂/Si异质结光电探测器。PtSe₂/Si 异质结的能带对准设计和参数优化如图2所示。为了进一步提高器件的响应速度，研究团队还开发了PtSe₂薄膜的战略性垂直生长技术和垂直异质结结构，并巧妙地将石墨烯层作为电荷载流子收集层转移到器件表面，制备出Gr/PtSe₂/Si异质结光电探测器，相关探测性能如图3所示。
图3 Gr/PtSe₂/Si异质结光电探测器的光电探测性能
至此，这项研究成功研制出一种室温光探测器，其灵敏度卓越、光谱范围广泛且响应迅速。为此，研究人员专门对该探测器的响应速度和通信性能做了研究，相关结果如图4所示。结果显示，该器件在探测人手释放的红外辐射方面表现尤为突出，为最先进的IGRIS的开发注入了强劲动力。
图4 光电探测器的响应速度和通信应用
基于Gr/PtSe₂/Si异质结光电探测器，研究团队开发了具有低延迟、低能耗、全天候功能、各种场景普遍适用的IGRIS系统。IGRIS包括三个主要组件：交互接口集成、管理电路和应用终端（如图5a）。
图5 IGRIS的构建及其各种场景应用演示
IGRIS系统凭借极低的延迟和能耗，即便在高湿度环境或用户佩戴手套等复杂条件下，也能实现精准可靠的交互体验。该系统在精确轨迹追踪、快速敲击响应、无缝网页缩放及高效开关控制等方面展现出卓越性能，充分证明了其在各类现实场景中的广泛应用潜力。综上所述，这项研究的一系列策略，无疑为非接触式人机交互系统的未来发展描绘了一幅清晰且有效的蓝图。
https://doi.org/10.1002/adma.202404336
