《L&P》用户成果速递 | Sn–Pb 钙钛矿探测器实现 400 kHz 带宽与 390 ns 上升时间，非接触手势交互更稳更快

零偏压峰值外量子效率92.1%，线性动态范围147 dB，雾天识别准确率仍超90%。

西北工业大学程光华团队与山西大学杨志春、秦成兵团队等在《Laser & Photonics Reviews》发表《Noncontact Gesture Control Using Nested Multi-Periodic Grating Modulated Perovskite Near-Infrared Photodetector》。该研究针对高性能微型光电探测器依赖外部电源、复杂环境抗干扰能力有限以及制备成本与性能难以兼顾等难题，提出一种以单步飞秒激光直写（FLDW）在ITO 衬底上构筑嵌套多周期光栅（NMPG）的策略：微米级光栅（周期2 µm）提供多级衍射以延长光程，亚波长纳结构（周期约200 nm）实现减反射，二者协同增强近红外光捕获与吸收。基于该结构制备的锡铅（Sn–Pb）钙钛矿近红外光电探测器在0 V 偏压（自供电）下实现峰值外量子效率92.1%、响应度0.49 A W⁻¹、上升/下降时间390/501 ns、线性动态范围147 dB，且在±30° 入射角范围内光电流变化小于9%。结合一维SE-ResNet（压缩-激励残差网络），该探测器在弱光与雾天条件下以高于90% 的准确率将手势光电流信号转化为小车控制指令，展示了自供电、智能化非接触人机交互在复杂环境中的应用潜力。

1. 研究背景

非接触手势控制凭借安全、卫生、智能等优势，在医疗健康、交通、机器人、虚拟现实和智能家居等领域应用前景广阔，其实现主要依赖超声换能器、肌电测量、湿度传感器、摄像头和机械传感器等技术。传统电子传感系统易受皮肤表面电荷积累、接触阻抗不佳及传感器间串扰等干扰；而基于视觉的方案虽具优势，却对环境光照变化和雾天较为敏感，且大数据量处理带来较高的计算与能耗开销。

相比之下，一维（1D）光电信号具有强抗噪声能力且显著降低计算开销，使高灵敏度单像素光电探测器（PD）成为高效低延迟非接触手势交互的理想选择。混合锡铅（Sn–Pb）钙钛矿带隙窄、具备宽可见–近红外响应，兼具高载流子迁移率、大吸收系数与低成本溶液法制备等优势，但其近红外性能有限且对入射角度高度敏感，制约了在复杂环境中的稳定运行。

微纳光栅结构可减少光学损耗、增强光吸收，且能降低角度依赖性而无需额外光学元件或机械部件。然而，叠层或双光栅架构通常依赖多次纳米压印步骤，工艺复杂、对衬底平整度与材料兼容性要求苛刻，且模板磨损会影响重复性；在ITO等光电探测器常用衬底上，纳米压印还受表面性质与工艺限制。飞秒激光直写（FLDW）具有亚衍射极限加工精度和广泛的材料兼容性，其诱导的周期性表面结构（LIPSS）可提高制备效率、降低材料浪费与生产成本，并减小热影响区，是ITO 微纳结构加工的有效策略。

2. 研究问题

本研究围绕上述问题开展工作：

(1)提出单步无掩模飞秒激光直写策略，在ITO 衬底上构筑微米–亚波长嵌套多周期光栅（NMPG），并阐明其增强光捕获的物理机制；

(2) 系统表征NMPG 调制的自供电Sn–Pb钙钛矿近红外光电探测器的关键性能指标（EQE、响应度、比探测率、线性动态范围、响应速度、角度依赖性与稳定性）；

(3) 将该探测器与一维SE-ResNet 网络集成，构建非接触单像素手势识别与车辆控制系统，验证其在弱光、雾天等复杂环境下的实用性能。

3. 图文解析

3.1 复杂环境中的非接触手势控制系统概念图

该系统将低功耗、小型化的钙钛矿光电探测器与神经网络结合，可兼容无人机、地面车辆、船艇及交互玩具等多种终端。手势输入被实时转换为遥控指令，并需在弱光、雾天等挑战性条件下保持高精度识别。

3.2 钙钛矿光电探测器的设计

(a) 飞秒激光构筑NMPG 的钙钛矿探测器架构与制备流程示意图。(b) 980 nm 波长下无NMPG 器件的FDTD 吸收仿真，呈现驻波形式的分层吸收。(c) 980 nm 下含NMPG 器件的吸收仿真，有源层吸收显著增强。(d) 980 nm 下ITO/钙钛矿界面内部光吸收分布，显示局部吸收增强。(e) ITO 上 NMPG结构的SEM 图像（标尺10 µm）。(f) NMPG 高倍SEM 图像，凸显亚微米结构细节（标尺500 nm）。(g) NMPG 的 AFM图像，揭示纳米级表面形貌。

3.3 钙钛矿光电探测器的性能

(a) 无/有NMPG 的Sn–Pb 探测器外量子效率（EQE）：NMPG器件峰值EQE 达92.1%（500 nm），较参比器件提升10%；1064 nm 处约为平面器件的两倍（插图）。(b)响应度R：NMPG器件峰值0.49 A W⁻¹，较平面器件（0.45 A W⁻¹）提升9%；1064 nm 处约为平面器件两倍（插图）。(c)比探测率D*：得益于增强的光电流与降低的噪声（1 Hz 噪声电流密度3.9×10⁻¹³ A Hz⁻¹/²，较平面器件低85%），NMPG器件峰值D* 达3.7×10¹¹ cm·Hz¹/²·W⁻¹。(d)线性动态范围LDR 达147 dB，暗电流较平面器件低一个数量级以上。(e) 0 V 偏压下 −3 dB 带宽达400 kHz。(f)上升/下降时间为390/501 ns。(g)与已报道钙钛矿探测器的响应度和响应时间对比（无外部偏压与放大时达到同类顶级水平）。(h)与商用硅基探测器在可见–近红外波段的响应度对比。(i) 940 nm 处响应度约为商用硅探测器的2 倍，且暗电流性能更优。

3.4 单像素手势识别与控制

(a) −30° 至+30° 角度依赖光电流测量系统。(b)含/不含NMPG 结构器件的角度依赖性对比：NMPG器件光电流衰减约8.5%，平面器件衰减约18.0%。(c)雾天环境下的实时单像素手势控制装置（532 nm 激光，丁达尔效应可见光路）。(d)面向一维光强序列设计的1D SE-ResNet 网络。(e)五类手势分类混淆矩阵：500个测试样本上准确率0.986、宏平均F1 分数0.990。(f–i)雾散射条件下（532 nm）手势对小车的前进、后退、右转、左转控制结果。(j)有/无NMPG 时系统在不同环境（雾天/无雾）下的准确率对比：强雾散射条件下NMPG 器件仍保持90% 以上准确率。

4. 方法与结果

4.1 方法

(1) NMPG构筑：采用中心波长1030 nm、重频200 kHz、脉宽约230 fs、平均功率2.835 mW 的飞秒激光直写系统，经20× 物镜（NA = 0.40）聚焦后以3 mm/s 扫描ITO 衬底；单步扫描中由位移台定义2 µm 主周期沟道，入射–散射波干涉同步形成亚波长次级周期（约200 nm）嵌套结构，并诱导ITO 薄膜局部减薄。

(2) 器件制备：倒置结构ITO（含/不含NMPG）/MeO-6PACz/钙钛矿/C₆₀/BCP/Ag，钙钛矿活性层组分为FA₀.₇MA₀.₃Sn₀.₅Pb₀.₅I₃（含SnF₂ 抗氧化添加剂），两步旋涂成膜；最后以原子层沉积30 nm 氧化铝封装层提升器件稳定性。

(3) 表征与测试：SEM/AFM表征光栅形貌与大范围（>1 mm²）均匀性；FDTD仿真评估875/940/980 nm 光吸收分布；利用光电探测系统（FineDet 900）测定EQE 与响应度，并结合源表、光谱仪与激光器测量I–t 曲线、噪声电流谱、带宽与响应时间；手势识别系统由单像素探测器（自定义PCB）、ESP32无线节点与PC 端 1D SE-ResNet 推理引擎组成，共采集五类手势各500 个样本（每样本300 个数据点），训练/验证/测试按6:2:2 划分。

4.2 结果

(1) 光捕获增强：FDTD仿真表明NMPG 通过微米级衍射延长光程、亚波长结构抑制反射并增强局部吸收，显著提升980 nm 近红外波段的有源层吸收。

(2) 器件性能：0 V 偏压下峰值EQE 92.1%（500 nm）、峰值响应度0.49 A W⁻¹、峰值D* 3.7×10¹¹ cm·Hz¹/²·W⁻¹、LDR 147 dB、上升/下降时间390/501 ns、−3 dB 带宽400 kHz、超低暗电流1.9×10⁻¹⁰ A；980 nm 开关比相较平面器件提升177%；批次间重复性良好（低相对标准偏差）。

(3)稳定性与角度鲁棒性：3600次开/关循环后保持率99.4%（平面器件98.1%）；环境存储10 天后循环测试保持初始值99.4%；存储50 天后120 分钟连续照射下光电流衰减仅3.4%（平面器件3.9%）；±30°入射角范围内光电流变化约8.5%，明显优于平面器件的约18.0%。

(4)应用演示：五类手势分类测试准确率0.986、宏平均F1 分数0.990；弱光（60.5 lx）下实现准确的人车交互；强雾散射条件下系统准确率仍保持在90% 以上。

5. 总结与展望

5.1 总结

本研究提出单步无掩模飞秒激光直写策略，在ITO 衬底上构筑微米–亚波长嵌套多周期光栅（NMPG），制备出首个采用该NMPG 架构的溶液法、自供电Sn–Pb 钙钛矿近红外光电探测器，实现峰值EQE 92.1%、峰值响应度0.49 A W⁻¹、超低暗电流1.9×10⁻¹⁰ A、LDR 147 dB 与峰值D* 3.7×10¹¹ cm·Hz¹/²·W⁻¹，兼具390/501 ns 高速响应、抑制的角度依赖性与良好的环境稳定性。集成轻量化1D SE-ResNet模型后，系统在弱光与雾天条件下实现快速、低能耗、智能化的非接触人机交互，为新一代智能光电传感与自主系统提供了高效范式。

5.2 展望

该工作简化了微纳光栅的制备流程并显著增强光捕获能力；后续可将NMPG 架构进一步拓展至其他光电探测体系与更大规模制备，并推动其在复杂环境智能感知、光通信与自主系统中的落地应用。

6. 相关设备

6.1光探测器综合测量系统FineDet 990

FineDet990是一款宽波段光探测器综合测量仪，用于测量探测器的光谱响应度、噪声、线性动态范围、IV和瞬态响应。系统将光学激励、弱信号电学采集、自动对位与数据分析集成，主要用于确定探测器的真实性能边界。适用于可见、近红外、中红外及新型低维光探测器研发。近红外、短波红外和中红外探测器研发需要同时关注响应度、EQE、暗电流、噪声谱密度、NEP、比探测率D*、线性动态范围LDR和响应速度。

(1)集成光谱响应度、可溯源EQE/IQE、-3dB、LDR、探测率、噪声、IV、稳定性和瞬态响应等测试。

(2) 产品方案工作波长覆盖200-5000 nm，可面向紫外、可见、近红外及中红外探测器。

(3) 线性动态范围LDR模块支持激光自动调光、噪声频率覆盖1 Hz-5MHz。

(4) 主机集成单色仪、光学调制、电学检测、三轴位移、显微探针和高清可视化对位。

(5) 系统自动获得NEP、D*、LDR和上升/下降时间。

FineDet 990

参考文献

Wang J., Sun Y., Yang Z., et al. Noncontact Gesture Control Using Nested Multi-Periodic Grating Modulated Perovskite Near-Infrared Photodetector. Laser & Photonics Reviews, 2026: e71794. DOI: 10.1002/lpor.71794