【今日分享】电子科技大学蒋亚东/王军团队AM：用于低延迟非接触手势交互的硅基半金属异质结宽带探测器

非接触式人机交互技术因其在空间时间信息获取和细菌隔离方面的显著优势，在人工智能、智能家居、自动驾驶和虚拟现实等领域发挥着至关重要的作用。手势识别作为一种传递人类信息和表达直观意图的非接触式交互常用方法，提供了灵活的控制、高效的信息传输和便利性。然而，在各种复杂场景中实现手势信号的实时、快速、精确、低能耗检测与识别以及无缝交互，仍然是一项重大挑战。

当前非接触式手势识别方法旨在捕捉和解释人类手部的物理特性以实现直观交互，主要利用湿度传感器、机械传感器和光电探测器等技术。这些系统经常因传感器本身的响应时间或系统的处理能力而遇到性能限制，从而导致明显的延迟问题。这种延迟会大大降低用户界面的响应性，影响交互的自然流畅性。当系统延迟超过150毫秒时，用户就能明显感知到，这可能会导致不适并降低整体用户体验。特别是，湿度传感器因其响应时间过长而受到批评，这通常会导致识别和交互中出现数秒的延迟。另一方面，对于手势识别系统的需求日益增长，这些系统不仅需要在各种环境条件下表现出高精度和鲁棒性，还要具备强大的抗干扰能力。

虽然机械传感器（包括基于摩擦电效应和电容原理的传感器）和光电探测器（利用可见光阴影检测）提供了更快的响应速度，但其性能可能会受到多种外部因素的负面影响，如皮肤附近的电荷积累、佩戴手套以及环境光照条件的变化。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通过热堆传感器和热电探测器检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，具有低功耗的优点，并且能够在各种天气条件下工作。尽管具有这些优势，但这些技术在最小化设备响应时间和系统延迟方面仍然面临挑战，这对于实现即时和无缝的手势交互至关重要。

在此，电子科技大学蒋亚东/王军团队在本文中展示了一种基于半金属异质结的高灵敏度超宽带光电探测器。论文通讯作者为于贺副教授、廖宇龙研究员和王军教授，第一作者是博士研究生练芸路。该团队巧妙地利用了铂硒化物（PtSe₂）——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检测性能具有不可估量的价值。近期研究表明，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。另一项研究则展示了集成了TiO₂/Au光学腔的PtSe₂光导体，在8.35µm波长的LWIR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。

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，该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。他们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，进而拓宽了检测光谱范围，使其覆盖至长波红外领域。

此外，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收集的上电极集成其中，这些创新设计协同作用下，显著提升了设备的检测速度。因此，该团队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。该设备在检测人手释放的红外辐射方面表现尤为突出，为最先进的红外手势识别和交互系统（IGRIS）的开发注入了强劲动力。

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。王军团队的这一系列策略，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。 

图 1 IGRIS在日常生活场景中的应用示意图。

图 2 PtSe 2 /Si异质结的能带对准设计和参数优化。

图 3 Gr/PtSe 2 /Si器件的光电探测性能。

图 4 光电探测器的响应速度和通信应用。

图 5 IGRIS建设及各场景应用示范。

利用硅基半金属异质结光电探测器进行精确手势识别和无缝人机交互，使我明白了NGRI的基本原理及IGRIS（红外手势识别和交互系统）的开发原理，以及硅基半金属异质结光电探测器的制备流程及其基本原理。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202404336