【儀表網 儀表研發】近日，大連化物所二維熱電材料研究組(DNL2104組)陸曉偉副研究員、姜鵬研究員、包信和院士團隊在高靈敏、低功耗人體紅外熱輻射探測器研制及其在非接觸人機交互系統中的應用方面取得新進展。
人體自發熱輻射主要位于長波紅外(8至14μm)波段，呈現出光子能量低(~0.1 eV)、光強弱(~5 mw/cm2)等特點。實現人體紅外熱輻射的高靈敏探測，對構建低功耗、非接觸人機交互系統具有重要意義。作為一種熱敏型探測器，光熱電探測器是基于光熱轉換、熱電轉換兩個能量轉換過程，具有光譜響應范圍寬、無需制冷、功耗低等優點。目前，商業的光熱電探測器通常采用分立式的熱電堆結構，需要復雜的MEMS微機械加工制備工藝，且在探測人體熱輻射時，其輸出電壓相對較小(數十至數百微伏)，需要額外的高信噪比信號采集電路。
本工作中，該研究團隊突破傳統熱電堆材料和構架的限制，構建了基于SrTiO3-x/CuNi異質界面結構的一體式熱電堆。該異質界面結構一方面將SrTiO3-x高的Seebeck系數(-737μV/K)與CuNi高的電導率(5×105S/m)協同耦合，在降低器件內阻的同時，可保持高的電壓輸出；另一方面，通過結合聲子共振吸收和自由載流子吸收，該異質結展現出優異的吸光能力，其在長波紅外波段的吸光率最高可達98%。結合這些優勢，基于SrTiO3-x/CuNi的熱電堆在探測人體輻射時展現出高靈敏度、低噪音、高穩定性等特征，其輸出電壓最高可達13mV，相比商業熱電堆有數量級的提升。通過進一步構建熱電堆陣列，團隊還實現了實時手勢識別、非接觸式數字/字母輸入等功能。該研究為開發低功耗非接觸人機交互系統提供了新思路，在人工智能技術、公共衛生安全領域具有廣闊的實際應用價值。
相關研究成果以“SrTiO3/CuNi Heterostructure-based Thermopile for Sensitive Human Radiation Detection and Noncontact Human-machine Interaction”為題，發表在《先進材料》(Advanced Materials)上。上述工作得到國家自然科學基金、中國科學院創新交叉團隊、我所創新基金等項目的資助。(文/圖 郭曉晗、陸曉偉)
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