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多通道紅外成像及其挑戰

紅外成像系統可將肉眼不可見的紅外輻射信號轉換為人眼可識別的偽視圖，廣泛應用于安防、環境監測、工業檢測以及醫療健康等諸多領域。當前，先進的紅外成像系統通常以焦平面陣列（Focal Plane Array,FPA）紅外傳感器為核心構件，并展示出了其在智能感知等方面的巨大潛力。然而，要實現突破物理光學衍射極限的超高分辨能力以及低功耗的需求，當前基于FPA的紅外成像在硬件實現方面仍困難重重。

人類視覺系統能夠通過輸入光信號的并行處理快速準確識別顏色、深度和邊緣等特征，受此啟發，近期的一些代表性研究團隊致力于在硬件層面實現多通道信息處理，如熱輔助探測和測距（HADAR）以及元成像器件陣列集成等技術，以增強紅外圖像分辨能力。然而，分離式的光柵結構或多類型器件融合策略不可避免地增加了系統集成的難度，且需要復雜的電路設計。

多通道超分辨紅外成像系統的設計

近日，國內多個研究團隊（成都大學郭俊雄研究員團隊、電子科技大學黃文副教授團隊、南京郵電大學劉宇教授團隊和北京師范大學張金星教授團隊）聯合報道了一種大面積“活字印刷”式的無源光電探測器陣列制造技術，可用于實現類似于人類視覺系統的多通道超分辨紅外成像。

該光電探測器陣列由超結構人工鐵電疇（周期交替向上和向下分布的鐵電極化疇陣列）與單層連續石墨烯構成，可在零偏壓下對中紅外入射光的實現選擇性響應。與當前多通道紅外成像系統相比，所設計的基于“活字印刷”式光電探測器陣列的紅外系統系統無需額外的分離式光柵或多類型傳感器融合，只需簡單重構超結構鐵電疇陣列即可實現多通道紅外成像。

論文標題頁

人類視覺系統（上）與類人眼多通道超分辨紅外成像系統（下）

“活字印刷”式無源紅外光電探測器陣列

超結構鐵電疇是一種人工構造的納米級鐵電疇陣列，具有交替向上/下極化的特征，可在納米級分辨率下精準調控石墨烯載流子密度的空間分布，以構建非均一電導率陣列分布的連續石墨烯器件，從而將石墨烯等離激元高度限域在特定空間，以匹配自由空間的入射光波矢共振增強石墨烯與入射光的選擇性增強作用，最終石墨烯可調諧光譜響應的增強紅外探測。

在該工作中，作者以類似于“活字印刷術”的方式構筑百納米級寬條紋的BiFeO3（BFO）超結構鐵電疇，可以有效調制石墨烯載流子行為，利用不同鐵電疇條帶寬度實現多頻率選擇性光與光電響應。同時，由于非對稱接觸電極的設計，該兩端器件陣列還可在零置片壓下長時間工作，極大降低了器件工作的功耗，理論上可實現零輸入功耗。

“活字印刷”式紅外光電探測器件微納加工流程及其結構

“活字印刷”式紅外光電探測器件陣列及其選擇性增強光響應

多通道紅外成像及目標識別應用

研究人員還展示了“活字印刷”式光電探測器陣列在多通道紅外成像應用中集成，與單通道陣列（SCA）探測器相比，其邊緣檢測能力更強，比如可清晰展示出手勢中的隱藏手指等。此外，MCA還表現出對目標的整體形狀和邊緣檢測的更高識別精度，更快的訓練和識別速度。

在經過多張圖像進行訓練后，所設計的成像系統在手勢識別和隱藏目標識別上分別實現了超過98.1%和98.2%的分類準確率。該成果為設計具有低功耗、大面陣和可擴展的先進紅外成像提供了一種具有前景的方法。

不同手勢的多通道紅外成像及手勢識別

研究團隊

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第一作者、通訊作者 郭俊雄：博士，成都大學特聘研究員，微納器件與集成系統研究團隊負責人。2020年畢業于電子科技大學，師從敏感電子學專家林媛教授和微電子專家俞濱教授。近五年，在Nature Communications、Nano Letters、IEEE Transactions on Information Forensics and Security等期刊上發表研究性論文近40篇，主要研究方向為微納仿生器件與人工視覺系統。

通訊作者 劉宇：博士，南京郵電大學校聘教授。2022年畢業于清華大學集成電路專業。近五年，在Nature Communications、Nano Letters等期刊上發表研究性論文30余篇，主要研究方向為人工智能系統與算法。

通訊作者 黃文：博士，電子科技大學副教授。長期從事新型光電微納器件方向研究工作，研究主要方向主要包括：1）半導體異質結界/表面物性及其光、電薄膜傳感器件及原理；2）基于表/界面新奇效應的光電轉化材料與器件研究；3）大形變下界面力、電學特性及其微納器件。

通訊作者 張金星：博士，北京師范大學二級教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者。主要研究興趣包括：1）原子尺度精確控制氧化物薄膜及異質結的外延生長，低維結構中疇壁與相界的構筑，探索氧化物表面與界面新奇的物理和化學特性；2）設計和制備信息技術、能源轉化、傳感驅動等方面的原型器件。針對新一代信息器件所面臨的科學和技術挑戰，致力于探索和開發低功耗、寬頻響應及可高密度集成的新型氧化物量子薄膜材料。

論文信息

發布期刊 Nature Communications

發布時間 2024年6月18日

文章標題 Type-printable photodetector arrays for multichannel meta-infrared imaging

（ https://doi.org/10.1038/s41467-024-49592-4）

研究團隊 | 作者

酥魚 | 編輯

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