南工大宗鹏安等：金字塔界面Bi₂Se₃/碳薄膜实现水下双模温度-压力传感

Stack of Bi₂Se₃/Carbon Films with Pyramid Interface for Dual-Mode Temperature–Pressure Sensing in Aquatic Environments

Yan Xu, Xuefei Zhang, Size Lou, Zhe Tang, Dongmei Xie, Chuanrui Zhang, Mengran Chen, Heng Liu*, Chuan Sun, Yixiang Ou, Peng-an Zong*

Nano-Micro Letters (2026)18: 409

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02254-0

本文亮点

1. 金字塔界面增强疏水性：在柔性碳纸上通过电化学法构建了金字塔形界面结构的Bi₂Se₃层，表现出优异的疏水性。

2. 双模传感，一体集成：该材料在空气环境和水下环境中均能实现温度与压力的双模传感，且无交叉干扰。

3. 水环境适应性与稳定性：该传感器在长时间水下运行、机械弯曲、电磁干扰等条件下仍能保持稳定的信号输出，展现出优异的环境耐受性。

研究背景

水下传感技术对海洋资源勘探和环境监测至关重要，但同时探测温度、压力等多重物理量并保持水下稳定性是一大挑战。传统的实现方式通常需要将不同的功能材料(如热敏和压敏材料)进行复合，并依赖额外的防水封装(如PDMS、PI等)。这不仅增加了系统复杂度，还易导致信号串扰、界面分层和长期稳定性差等问题。因此，如何在单一材料中同时实现本征防水、高灵敏温度与压力传感，成为该领域的关键科学瓶颈。特别是，开发一种不依赖额外涂层、能在空气和水下“两栖”稳定工作的双模传感器，是通往实用化的重要一步。

内容简介

针对上述挑战，南京工业大学宗鹏安团队跳出“材料复合+涂层防水”的传统框架，提出了一种基于界面工程的一体化策略。通过精确调控脉冲电沉积参数，在柔性碳纸(CP)上生长出具有金字塔形貌的Bi₂Se₃薄膜。这个巧妙的金字塔结构实现了三重协同：在功能上，金字塔的微纳结构赋予了材料疏水特性(接触角143.7°)，使其无需任何额外涂层即可在水下稳定工作；同时，金字塔结构倾斜的棱面在受压时会产生应力分散效应和接触面积的非线性变化，从而获得优异的压阻传感性能(灵敏度0.94% kPa⁻1)。在传感上，将多层Bi₂Se₃/CP薄膜垂直堆叠，形成一个双模传感器。利用Bi₂Se₃的热电效应，该器件可在无外接电源下自发产生对温度敏感的电压信号；而其层间接触电阻随压力变化的特性，则产生电阻信号。这两个物理信号互不干扰，完美实现了水下温度和压力的同步解耦检测。最后，在可靠性上，Bi₂Se₃/CP复合薄膜自身具有优异的电磁屏蔽性能(>62 dB)和出色的柔韧性、阻燃性及化学稳定性，使其在复杂环境下能保持可靠的传感信号，展现了极强的环境适应性。该工作为开发简便、高效、高可靠性的水下多模传感器提供了新思路。

图文导读

I 电化学构筑金字塔独特界面

如图1所示，研究团队通过脉冲电沉积法，在柔性碳纸基底上生长出了致密且均匀的Bi₂Se₃薄膜。通过优化沉积电位(−0.02 V)，材料形成了一种金字塔状微观结构，这种独特的形貌是后续所有优异性能的基石。XRD和XPS表征证实了Bi₂Se₃的高结晶度和化学组成。随着沉积量的增加，最终在50 C时达到最理想的金字塔形貌。

图1. Bi₂Se₃/CP薄膜的合成与微观结构表征。

II 热电性能的优化

图2探讨了材料的内核——热电性能。研究发现，在−0.02 V的最佳沉积电位下，Bi₂Se₃薄膜实现了载流子迁移率与电导率的最优协同，获得了高达106.0 μW m⁻1 K⁻2的功率因子，是纯碳纸的9倍。该材料在感受到温差时能够自发产生电压信号，成为自供电温度传感器的核心单元。由10层薄膜堆叠而成的器件，在40 K温差下可输出1.3 mV电压，为精准温度感知提供了稳定的信号源。

图2. 单层Bi₂Se₃/CP薄膜的热电性能及层堆叠器件的输出性能。

III 温度传感：在空气与水中灵敏响应

图3展示了该传感器在温度传感方面的出色表现。无论是在空气中还是水下，它以0.9秒的快速响应时间，对物体接触或接近产生的微小温差做出灵敏响应。它还能分辨冷热源的方向，并实现对不同呼吸状态(静坐、站立、深蹲)的精准监测。在模拟水下环境的长时触控测试中，信号输出稳定，证明了其优异可靠性。

图3. Bi₂Se₃/CP堆叠传感器的结构设计与温度传感性能。

IV 金字塔结构诱导的压阻效应及其机械稳定性

图4揭示了金字塔界面如何实现高性能压力传感。其高灵敏度的机制在于：受压时，金字塔状的接触点逐渐压实，有效接触面积非线性增加，导致电阻急剧下降，展现出高达0.94% kPa⁻1的灵敏度。更重要的是，这种结构在受压时应力分布均匀，避免了局部应力集中，确保了器件的机械稳定性和长寿命。此外，该传感器能敏锐捕捉到人体关节弯曲、面部微表情等细微动作，展现了其在可穿戴设备和人机交互中的巨大潜力。

图4. Bi₂Se₃/CP复合薄膜的压力传感性能。

V 水下动态扰动的精准感知性能

将传感器置于各种真实水下扰动场景中，无论是微弱的容器壁敲击、水面的周期性气流扰动，还是单个水滴的撞击，传感器都能产生清晰、瞬时的电阻信号。它还能精确捕捉刚尺在水下的阻尼振荡，响应时间快至0.02秒。将它安装在机器鱼上，成功跟踪了长达200秒的周期性摆尾运动。这一系列测试充分证明了其在复杂水下动力学环境中优异的稳定性和感知能力。

图5. 多种动态扰动下的水下压力传感性能。

VI 温度-压力双参数解耦传感机制

研究团队通过设计一个同时施加负载的压强实验，实时监测了器件的电压(温度)和电阻(压力)信号。结果显示，当仅改变温度时，只有电压信号变化，电阻信号不变；当温度和压力同时变化时，两组信号同步、独立地响应，互不干扰。无论是空气还是水下环境，该器件都能精准地解码温度与压力信息，证明了其优异的双模感知能力。

图6. 空气及水下环境中的双模温度-压力传感性能。

VII 3×3传感器阵列的多维空间感知与编码

研究团队构建了一个3×3的传感器阵列，将该技术从单点传感推向了空间感知。在水下，手指触摸不同位置的单元会产生独特的电压信号，实现了水下定位和触控编码。文章还生动地展示了使用该阵列进行水下单词拼写的演示(如通过触摸特定位置序列编码“age”、“bed”等)。此外，当在阵列上放置一个逐渐变冷的水杯时，阵列能够同时产生响应，基于此绘制出温度下降的温度图和压力增加的压力图，实现了对时空变化的动态双模监测，展示出作为水下电子皮肤的潜力。

图7. 水下3×3传感器阵列的双模传感性能。

VIII 电磁屏蔽效能及其抗干扰能力

复杂的电磁环境中，普通传感器极易受到干扰而信号漂移。本工作展示的Bi₂Se₃/CP薄膜在全X波段(8.2-12.4 GHz)的电磁屏蔽效能超过62 dB，这意味着99.99%的电磁波被有效屏蔽。其机理在于Bi₂Se₃的层状结构与金字塔界面共同作用，导致电磁波在材料内部发生多次反射、散射和介电损耗。实验验证，无论是在手机待机还是通话模式(强电磁场)下，其水下传感信号都保持极度稳定，抗干扰能力极强。

图8. Bi₂Se₃/CP薄膜的电磁屏蔽性能。

IX 综合柔性与环境稳定性评估

该薄膜不仅具有优异的疏水稳定性(在不同pH溶液和常见液体下均保持高接触角)，还展现了超强的机械柔性(弯曲半径5 mm时电阻变化<10%)和耐久性(千次弯折、百次浸水后性能几乎不变)。更为出色的是其热稳定性和阻燃性：在高达400℃下无质量损失，甚至在酒精灯火焰中200秒不着火、不形变，显著优于常规聚合物材料。这些优异的综合性能，为其在苛刻环境下的长期服役提供了坚实保障。

图9. Bi₂Se₃/CP薄膜的疏水性、柔性与稳定性。

X 总结

本研究提出了一种基于金字塔界面结构Bi₂Se₃薄膜的同步界面调控策略，实现单材料、多功能、双模式水下传感的创新策略。该策略的核心在于：

通过电化学法构建的Bi₂Se₃金字塔微结构，解决了疏水性和压力传感两大难题，避免了复杂、易老化的有机涂层和材料复合。

利用Bi₂Se₃材料自身的热电效应，无需外接能源即可产生温度传感信号，并与压阻效应耦合，实现了温度与压力的无串扰双模检测。

该传感器汇集高灵敏度、快响应、强电磁屏蔽、优异柔性与阻燃性等优点，展现出优异的环境耐受性，为水下可穿戴设备和环境监测提供了一种高集成度、高可靠性平台。

该“结构-功能一体化”的设计思路，比起多材料复合和繁琐封装的传统方法，更加简洁、高效，为下一代多模态、多环境适应的智能传感器设计提供了新的思路。

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