纳米尺度STO薄膜实现红外视觉传感中国科学报

近日，松山湖材料实验室研究员林生晃团队与西安理工大学教授杨媛、中国科学院上海技术物理研究所副研究员王芳、中山大学副教授沐浩然等合作，基于纳米尺度自支撑SrTiO3（STO）薄膜，构建了具备可编程响应的光热电（PTE）红外探测器。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review）。

中红外视觉器件能直接感知目标热辐射，在夜视、低能见度环境感知、环境监测及热目标识别等场景中具有重要应用价值。面向新型智能红外光电子系统，探测器前端不仅需采集光信号，还需具备响应可调性和图像预处理能力，以减轻后端数据传输与计算负担。传统热型红外探测器虽具备宽谱响应和室温工作优势，但受限于较大的热质量和有限的可编程性，难以兼顾快速响应、宽谱探测与可重构处理。

纳米尺度自支撑SrTiO3光热电探测器的结构设计与材料性质。研究团队供图，下同

该研究中，团队在国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助下，通过纳米尺度薄膜与自支撑热结构设计，有效降低了器件的有效热质量，同时维持了横向温度梯度。在零源漏偏压条件下，器件实现了从可见光至约10 μm波段的宽谱PTE响应。进一步结合双栅局域Seebeck系数调控，获得了多状态可编程响应，并利用3×3器件阵列展示了红外图像预处理及注意力引导的热目标增强能力。

该研究选用厚度约230 nm的纳米尺度SrTiO3薄膜作为悬空热电通道。纳米级厚度显著降低了面热容与有效热质量，悬空结构则减少了衬底热泄漏，同时保留了金属/氧化物界面附近的横向温度梯度，为快速PTE响应提供了结构基础。

在零偏压下，空间光电流扫描显示光响应主要集中于金属/SrTiO3界面附近；器件的线性电流-电压（I-V）特性表明电极与通道间为欧姆接触。当激光聚焦于左右电极附近时，I-V曲线呈现水平偏移且斜率不变，符合光热电效应特征，表明输出光电压取决于局域温度梯度与Seebeck系数。该器件探测波段覆盖可见光至10 μm红外，响应时间约10 μs，较已报道的块体SrTiO3光热电器件提升了4个数量级以上。

基于实验响应状态的红外识别与注意力引导热目标增强。

为实现响应可编程，团队在自支撑SrTiO3沟道下方设计了双分裂底栅结构。两个局域栅极可独立调控相邻沟道区域的载流子浓度和费米能级，从而空间上调制Seebeck系数分布。在对称或无栅状态下，中心局域加热产生的左右光电压贡献相互抵消，净输出接近零；施加反对称栅压后，Seebeck分布不对称，中心沟道产生增强光电压；反转栅压则使Seebeck分布反转，光电压极性可逆。基于该调控机制，器件在4 μm红外照明下获得约50 V/W的最高响应度，并实现了40个稳定的可编程响应状态。

在此基础上，研究团队构建了3×3悬空SrTiO3器件阵列，九个器件在重复栅控测试中均表现出可再现的极性切换，验证了双栅调控在阵列平台上的扩展性。

利用响应度正负可调及功率线性特征，该3×3阵列可配置为反相、差分高斯、拉普拉斯等多种可编程卷积核，用于红外图像的噪声抑制、边缘增强和对比度调节。团队还基于公开热红外图像数据集与器件实测响应状态，开展了注意力引导的热目标增强片外重构，展示了器件在复杂红外视觉场景下的处理潜力。

该工作将纳米尺度热管理、自支撑光热结构与局域Seebeck系数调控有机结合，使热型红外探测器在保持宽谱、零偏压工作特性的同时，获得微秒级响应速度与多状态可编程能力。研究结果为可重构红外视觉、感内预处理及低功耗智能红外光电子应用提供了新的材料与器件基础。