陆晓伟、姜鹏、包信和院士团研制出可用于非接触人机交互系统的高灵敏长波红外探测器

jiasu2009

近日，我所研究组（DNL2104组）陆晓伟副研究员、姜鹏研究员、包信和院士团队在高灵敏、低功耗人体红外热辐射探测器研制及其在非接触人机交互系统中的应用方面取得新进展。
　　人体自发热辐射主要位于长波红外（8至14μm）波段，呈现出光子能量低（~0.1 eV）、光强弱（~5 mw/cm2）等特点。实现人体红外热辐射的高灵敏探测，对构建低功耗、非接触人机交互系统具有重要意义。作为一种热敏型探测器，光热电探测器是基于光热转换、热电转换两个能量转换过程，具有光谱响应范围宽、无需制冷、功耗低等优点。目前，商业的光热电探测器通常采用分立式的热电堆结构，需要复杂的MEMS微机械加工制备工艺，且在探测人体热辐射时，其输出电压相对较小（数十至数百微伏），需要额外的高信噪比信号采集电路。

　　

　　本工作中，该研究团队突破传统热电堆材料和构架的限制，构建了基于SrTiO3-x/CuNi异质界面结构的一体式热电堆。该异质界面结构一方面将SrTiO3-x高的Seebeck系数（-737μV/K）与CuNi高的电导率（5×105S/m）协同耦合，在降低器件内阻的同时，可保持高的电压输出；另一方面，通过结合声子共振吸收和自由载流子吸收，该异质结展现出优异的吸光能力，其在长波红外波段的吸光率最高可达98%。结合这些优势，基于SrTiO3-x/CuNi的热电堆在探测人体辐射时展现出高灵敏度、低噪音、高稳定性等特征，其输出电压最高可达13mV，相比商业热电堆有数量级的提升。通过进一步构建热电堆阵列，团队还实现了实时手势识别、非接触式数字/字母输入等功能。该研究为开发低功耗非接触人机交互系统提供了新思路，在人工智能技术、公共卫生安全领域具有广阔的实际应用价值。
　　相关研究成果以“SrTiO3/CuNi Heterostructure-based Thermopile for Sensitive Human Radiation Detection and Noncontact Human-machine Interaction”为题，发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队、我所创新基金等项目的资助。（文/图 郭晓晗、陆晓伟）
　　文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202204355


       文章来源：大连化物所
       姜鹏，中国科学院大连化学物理研究所研究员。2002年本科毕业于山东大学光电系。2007年博士毕业于中国科学院物理研究所，师从薛其坤院士和贾金锋研究员，博士期间利用低温扫描隧道显微镜/扫描隧道谱成功地观测到量子尺寸效应对表面化学活性调控，相关成果分别发表于PNAS和JACS。2007年到2011年在美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校从事博士后研究，合作导师为Miquel Salmeron教授，期间利用近常压X射线光电子能谱系统地研究了纳米金催化的反应机理，相关成果分别发表于JACS和Angw. Chem. Int. Ed.；独立地发展了可进行原位电化学观测的软X射线吸收能谱和软X射线发射能谱，成果发表于Electrochem.Commun.。2011年以”百人计划”引进大连化学物理研究所工作。研究方向是表面化学和界面催化，主要是发展和利用先进的原位表征方法(如近常压软X射线光电子能谱和X射线吸收谱)研究催化反应的机理以及利用低温扫描隧道显微镜/扫描隧道谱从原子尺度上揭示催化反应机理。目前主要致力于可用于原位催化表征的新型X射线谱仪的研制和开发，积极参与上海同步辐射二期工程，协助近常压中能X射线光电子能谱束线的搭建，运用这些技术对贵金属替代等新型催化剂的反应机理进行原位动态的研究；入所后已经顺利完成低温扫描隧道显微镜/光电子能谱联合系统的搭建和调试，正在利用该系统开展表面化学量子调控的研究。