文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202404336?saml_referrer
亮点：
1.能带对齐优化：通过TCAD仿真精准调控硅掺杂浓度及半金属厚度，实现了异质结势垒的优化设计。
2.超宽光谱响应：探测范围覆盖405–10600 nm，满足多种场景需求，从可见光到红外均可响应。
3.快速响应时间：实现了微秒级响应时间，显著降低手势交互中的系统延迟。
4.高性能检测能力：具有极高的灵敏度（D*：≈10¹¹ Jones），在环境干扰条件下依然保持出色表现。
5.智能系统集成：结合多通道高频采样与高级时空对比算法，打造了一套高精度、低能耗的人机交互系统。
摘要
无接触手势识别与交互（NGRI）正在革新自然用户界面，深刻改变人与日常技术的互动方式。然而，传统NGRI系统常因延迟问题及环境干扰（如湿度或光照条件）影响流畅性与稳定性。在本研究中，我们采用基于硅的半金属异质结光电探测器，实现了精准的手势识别和无缝人机交互。通过能带对齐理论及高级TCAD仿真，优化了异质结势垒，调控了硅掺杂浓度与半金属厚度等参数。通过垂直材料生长及垂直异质结配置，制备出具有极高灵敏度（探测度（D*）：≈10¹¹ Jones）、超宽光谱范围（405–10600 nm）及快速响应时间（≈微秒）的室温探测器。利用其卓越的人体红外辐射检测速度和灵敏度，结合高级时空对比算法及多通道高频采样处理设计，开发出一套低延迟、高精度、低能耗且适应多种场景的NGRI系统。该成果为无接触传感器设计提供了新思路，进一步提升了无接触人机交互系统的实用性与用户体验。
研究背景和主要内容
非接触式人机交互技术因其在时空信息获取、菌落分离等方面的显著优势，在人工智能、智能家居、自动驾驶、虚拟现实等领域发挥着重要作用。手势识别作为传达人体信息、表达直觉意图的一种常用非接触式交互方式，具有控制灵活、信息传递高效、使用便捷等特点。但实现手势信号的实时、快速、精准、低功耗检测与识别以及在各种复杂场景中的无缝交互仍然是一个重大挑战。
当前的非接触式手势识别方法旨在捕捉和解读人手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。由于传感器固有的响应时间或系统的处理能力，这些系统经常会遇到性能限制，导致明显的延迟问题。此类延迟会严重降低用户界面的响应能力，影响交互的自然流畅。当系统延迟超过 150 毫秒时，用户就会察觉到，可能会导致不适并降低整体用户体验。具体来说，湿度传感器因其响应时间长而受到批评，通常导致识别和交互延迟数秒。另一方面，人们对手势识别系统的需求日益增长，这些系统不仅需要在不同环境条件下表现出高精度和稳健性，还需要具有强大的抗干扰能力。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，但它们的性能可能会受到多种外部因素的不利影响，例如皮肤附近电荷的积累、戴手套以及环境光照条件的变化。鉴于人体发射的辐射主要位于长波红外光谱内，人们越来越关注开发检测红外辐射的手势识别系统，主要通过使用热电堆和热电探测器。这些系统不易受到环境干扰，具有低功耗的优势，并且能够在各种天气条件下运行。尽管有这些优势，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着挑战，而这对于实现即时和无缝的基于手势的交互至关重要。
这里，我们介绍了一种由半金属异质结制成的高灵敏度、超宽带光电探测器，为非接触式手势交互系统铺平了道路，该系统具有低延迟、降低能耗、在不同条件下跨多种场景的多功能性等特点。我们利用硒化铂 (PtSe2) 的特性，它是一种拓扑半金属，以其宽的光谱吸收和出色的载流子迁移率而闻名，这些特性对于提高红外检测能力至关重要，如表S1（支持信息）中所述，并得到最近文献的支持。Yu 等人最近表明，通过定制的化学气相输运 (CVT) 工艺策略性地引入硒空位，可以将双层 PtSe 2的带隙调整到长波红外 (LWIR) 区域，能量约为 0.11 eV。此外，Azar 等人。开发了一种集成了 TiO
2 /Au 光学腔的PtSe2光电导体，在波长为 8.35 µm 的长波红外照明下实现了高达 54 mA W −1的出色响应度。这些器件还表现出令人印象深刻的快速光响应，在白光下的时间常数为 54 ns。尽管具有这些固有优势，但半金属（如 PtSe2 ）的窄带隙特性通常会导致室温下暗电流增加。这对这些材料在光电检测技术中的实际应用提出了重大挑战。
为了解决这个问题，我们的方法涉及一种新型的硅基半金属异质结，采用能带排列策略来有效管理异质结势垒。通过应用能带排列理论和目标技术计算机辅助设计 (TCAD) 模拟设计，我们精心调整了关键参数，包括 Si 的掺杂浓度和半金属层的厚度。这样的调整有助于光载流子的有效传输和收集，同时降低载流子复合率，从而拓宽检测光谱以涵盖长波红外范围。此外，PtSe2薄膜的战略性垂直生长和垂直异质结结构的开发，结合石墨烯层作为电荷收集的顶部电极的集成，协同提高了设备的检测速度。因此，我们实现了具有出色灵敏度、广阔光谱范围和快速响应时间的室温光电探测器。该设备在检测人手红外辐射方面的卓越能力促成了最先进的红外手势识别和交互系统 (IGRIS) 的开发。它具有最小的延迟和能耗，即使在高湿度或用户戴手套等具有挑战性的条件下也能实现精确可靠的交互。该系统在精确的轨迹跟踪、快速的点击动作、无缝的网页缩放和高效的开关控制方面表现出色，展示了其在各种现实场景中的适应性。我们的战略为非接触式人机交互系统的发展勾勒出清晰有效的路线图。
图 1a展示了 IGRIS 在日常场景中的多种应用，例如通过手指跟踪控制玩具车、游戏界面、类似触摸屏的屏幕操作以及无需物理接触即可管理设备开关。IGRIS 的先进设计允许实时跟踪手指的位置和运动，从而实现对远程操作设备的方向和速度的细微控制。其低延迟功能可确保快速检测和解释复杂的手指手势，例如单击或快速点击，从而增强游戏和命令输入中的用户交互。该系统还支持直观的空中手势，用于浏览网页、缩放和控制各种设备，展示了其在白天、夜间和高湿度等不同条件下的适应性和高效性能。5×5 光电探测器阵列的光学图像如图 1b所示。图 1c展示了 IGRIS 内的红外传感元件，其特点是由石墨烯 (Gr)、PtSe2和 Si组成的垂直异质结结构。双层石墨烯具有≈10 −6 Ω sq −1的薄层电阻和在宽光谱范围内的高透射率，被用作顶部透明电极以增强有效载流子收集，而金则被用作石墨烯的欧姆接触。与现有的人机交互 (HMI) 技术相比，IGRIS 在系统响应时间、能源效率和操作灵活性方面的显著提升在广泛的应用范围内脱颖而出，如图 1d 和表S2（支持信息）所示。IGRIS 的一个突出特点是其卓越的延迟性能，系统实现了低于人眼可感知延迟阈值的最短响应时间，为非接触式手势识别技术树立了新的标杆。
图1 IGRIS在日常生活场景中的应用示意图。a）IGRIS的概念设计。b）设备照片。c）Gr/PtSe 2 /Si异质结的器件结构示意图。d）IGRIS与之前报道的人机交互系统的比较。
图2 PtSe2 /Si异质结的能带排列设计与参数优化。a) PtSe2薄膜带隙随厚度的变化。b) PtSe2薄膜费米能级随厚度的变化。c)异质结的能带结构。d) 光照和0 V偏压下不同Si掺杂浓度的PtSe 2 /Si肖特基结的能带结构。e) 0 V偏压下不同Si掺杂浓度下异质结中暗载流子和光生载流子随内建电场方向的分布。f) 不同Si掺杂浓度下测得的IV曲线。
图3 Gr/PtSe2/Si 器件的光电探测性能。a)器件在黑暗和 0.4-10.6 µm 光照下的I-V曲线。b ) 不同波长和 c) 不同光强度下 0 V 偏压下的器件It曲线。d) 随波长增加的器件V oc和J sc总结。e) 入射波长为 2.25-5 µm 后，电压从 -2.0 到 0 V 的器件光电流分布。f) 器件的电流噪声功率谱。g)器件在 0.4-10.6 µm 处的R i和D *。h) 器件的检测波长范围和D *性能与先前报道的宽带探测器的比较。
此外，我们验证了该器件在红外光通信领域的潜在应用。通过将目标信息“MIR”输入计算机，转换成ASCII码后送入信号发生器，在指定频率下发射通信波长980nm和1550nm的红外激光到器件上，器件接收到调制后的脉冲红外信号后，产生相应的光响应并传送给计算机（图 4f ），经过处理后将“MIR”的ASCII码转换成字母，如图4g所示 ，光电流中的方波信号与原始输入信息吻合较好，证实了该器件在红外光通信中的潜在应用。
图4 光电探测器的响应速度和通信应用。a) 垂直取向排列的 PtSe2的示意图和 TEM 图像。b) 在频率为 1、10 和 20 kHz 的脉冲光照射下的光电流曲线。c) 设备的 3dB 带宽分析。设备在 d) 1550 和 e) 5000 nm 光照射下的响应速度。f) 红外通信系统示意图。g) 设备在 980 和 1550 nm 光照射下接收到的“MIR”ASCII 编码信号。
基于异质结器件，我们开发了IGRIS，其特点是低延迟、低能耗、全天候功能和适用于各种场景的通用性。IGRIS由三个主要部分组成：交互界面集成、管理电路和应用终端（图 5a）。用户通过在界面上输入滑动、点击、缩放和靠近等手势命令与系统交互。该交互界面由4×4离散探测器阵列组成，旨在捕捉手势轨迹的空间运动。界面上的探测器感应用户手部发出的红外辐射，然后通过多通道高频采样系统收集和处理该辐射。系统生成高分辨率的时空数据，随后将这些数据输入到管理电路中。微控制器单元（MCU）采用时空比较算法来解释这些输入并传输相应的控制命令。
图 5b展示了IGRIS系统中将手势信号传输到应用终端的有线和无线数据传输方法。有线方法利用LabVIEW进行数据采集，无线方法利用蓝牙传输车辆控制、游戏界面、屏幕操作和设备切换的控制命令。管理电路和车辆应用终端的PCB布局如图S33（支持信息）所示，数据采集电路和车辆界面的详细原理图分别如图S34和S35（支持信息）所示。这种PCB布局有效地减轻了电气串扰，简化了电路设计的复杂性。每个异质结都集成了一个电流-电压转换器，以确保信号的稳定性。管理电路包含信号放大电路，可将电压变化转换为高频时空序列。经过模数转换和电压放大后，预处理的电压信号在MCU内编码为时空序列。这些序列随后由MCU处理以生成并传输相应的控制指令到应用终端。
图S36 （支持信息）显示了交互界面集成中 16 像素的空间信息。在任何给定时间 t，电流矩阵表示为 F(t)，每个像素的电流表示为 A(x, y)。我们考虑了垂直、水平和对角线方向上相邻像素之间的相互作用。随后，此电流阵列的实时收集被传输到 MCU，在那里进行时空对比分析以计算多维手势数据，包括移动的位置、方向和速度。我们的高频采样系统以精确的时间间隔 Δt 运行，其中 F(t
