科研进展丨纳米尺度STO薄膜实现可编程中红外视觉传感

中红外视觉器件因其能够直接感知目标热辐射，而在夜视、低能见度感知、环境监测和热目标识别等场景中具有重要的应用价值。针对新型智能红外光电子应用，探测器前端不仅需要采集光信号，还需要具备可调响应和图像预处理能力，以降低后端数据传输和计算负担。尽管传统的热型红外探测器具有宽谱、室温工作的优势，但受限于较大的热质量和有限的可编程能力，依然难以同时兼顾快速响应、宽谱探测与可重构处理。

近日，松山湖材料实验室新型光电功能材料与器件团队林生晃研究员与西安理工大学杨媛教授、中国科学院上海技术物理研究所王芳研究员、中山大学沐浩然副教授等合作，围绕可编程中红外视觉传感开展研究，构建了基于纳米尺度自支撑SrTiO₃薄膜的可编程光热电（PTE）红外探测器。相关研究成果以“Mid-infrared Vision Sensor Based on Suspended Perovskite Oxides Down to Nanometer Scale”为题，发表于《National Science Review》。

该工作通过纳米尺度薄膜和自支撑热结构降低器件有效热质量并维持横向温度梯度，在零源漏偏压下实现可见光至约10 μm的宽谱PTE响应；进一步结合双栅局域Seebeck系数调控获得多状态可编程响应，并通过3 × 3器件阵列展示了红外图像预处理和注意力引导热目标增强能力。

本工作选用纳米尺度SrTiO₃薄膜（厚度约230 nm）作为悬空热电通道。其中，纳米级厚度显著降低了面热容和有效热质量，而悬空结构则减少向衬底的热泄漏，同时保留金属/氧化物界面附近的横向温度梯度，为快速PTE响应提供结构基础。

图1 纳米尺度自支撑SrTiO₃光热电探测器的结构设计与材料性质

在零源漏偏压下，空间光电流扫描显示光响应主要分布在金属/SrTiO₃界面附近；器件的线性电流-电压（I–V）关系，则说明通道与电极之间为欧姆接触；且在左（左）或右（右）电极附近聚焦激光激发时，I–V曲线表现出水平偏移且坡度不变，这与光热电效应行为一致，说明输出光电压与局域温度梯度和Seebeck系数有关。结果表明，该器件结构探测波段可覆盖可见光至10 μm红外波段，且器件响应时间约10 μs，较已报道的块体SrTiO₃光热电器件提升4个数量级以上。

图2 零源漏偏压下界面主导的自支撑SrTiO₃光热电响应与宽谱特性

为实现响应编程，本工作采用独特结构设计，在自支撑SrTiO₃沟道下方构建了双分裂底栅结构。两个局域栅极可独立调节相邻沟道区域的载流子浓度和Fermi level，从而调控塞贝克（Seebeck）系数在空间上的分布。在对称或无栅状态下，沟道中心局域加热产生的左右贡献相互抵消，净PTE输出接近零；而施加反对称栅压后，Seebeck分布则不再对称，中心沟道产生增强光电压；反转两侧栅压时，Seebeck分布随之反转，PTE光电压极性可逆。基于上述可编程调控机制，器件获得最高响应度约为50 V/W，并在固定4 μm红外照明下得到40个稳定的可编程响应状态。

图3 双栅调控的自支撑SrTiO₃光热电响应

图4 双栅调控Seebeck分布实现可编程光热电响应的机制

基于单器件的可编程响应，研究进一步构建了3 × 3悬浮SrTiO₃ 器件阵列。阵列中九个器件在重复栅控测试中均表现出可再现的极性切换，说明双栅调控的正、负响应可扩展到阵列平台。

图5  3 × 3可编程SrTiO₃器件阵列与红外图像预处理

利用器件响应度的正负可调和功率线性特征，3 × 3阵列可被配置为反相、差分高斯和拉普拉斯等可编程卷积核，用于红外图像的噪声抑制、边缘增强和对比度调节。该研究工作还基于公开热红外图像数据集和器件实测响应状态进行了注意力引导的热目标增强片外重构，展示了该器件应对复杂红外视觉的处理能力。

图6 基于实验响应状态的红外识别与注意力引导热目标增强示意

本研究工作将纳米尺度热管理、自支撑光热结构和局域Seebeck系数调控结合起来，使热型红外探测器在保持宽谱、零偏压工作特性的同时获得微秒级响应和多状态可编程能力。相关结果为可重构红外视觉、感内预处理以及面向低功耗的智能红外光电子应用提供了新的材料与器件基础。

本文中，李浩哲、沐浩然和于文治为论文共同第一作者；松山湖材料实验室林生晃研究员、西安理工大学杨媛教授、中国科学院上海技术物理研究所王芳研究员和中山大学沐浩然副教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（62574140、62574163、62174134）、国家重点研发计划（2021YFA1202902）、广东省基础与应用基础研究基金（2026A1515011650、2024A1515010350、2021B1515120034）等项目的重点支持。

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag499