《Nano-Micro Letters》：Stack of Bi2Se3/Carbon Films with Pyramid Interface for Dual-Mode Temperature–Pressure Sensing in Aquatic Environments
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随着海洋勘探和环境监测需求的日益增长，水下传感技术因高湿度环境及同时检测温度、压力等多物理参数的需求面临严峻挑战。传统水下传感器通常依赖多种功能材料的组合来实现双模温度-压力检测，往往需要额外防水封装，这增加了系统集成复杂度。在单一材料中实现水下双模温度-压力
随着海洋勘探和环境监测需求的日益增长，水下传感技术因高湿度环境及同时检测温度、压力等多物理参数的需求面临严峻挑战。传统水下传感器通常依赖多种功能材料的组合来实现双模温度-压力检测，往往需要额外防水封装，这增加了系统集成复杂度。在单一材料中实现水下双模温度-压力检测尤其具有挑战性。在此，研究人员开发了一种基于Bi?Se?/碳纸（CP）复合膜的水下双模传感器，通过在柔性CP基底两侧电化学沉积具有金字塔界面结构的Bi?Se?层制备而成。该薄膜展现出增强的热电性能，功率因子为106.0 μW m?1 K?2（是CP的9倍）。由垂直堆叠的金字塔界面结构薄膜构成的传感器能够在水下实现高精度温度和压力检测，具备温度传感响应时间0.9 s和压力灵敏度0.94% kPa?1，同时允许两种信号的同步解耦。此外，该传感器表现出优异的疏水性，接触角达143.7°，并具有鲁棒稳定性，克服了水下应用的关键限制。这一柔性水下传感技术的进步为水下人机交互与监测提供了可靠策略。
**研究背景与问题**：随着海洋资源勘探和环境监测需求增长，水下传感技术面临高湿环境下同时准确检测温度、压力等多物理量的挑战。传统水下传感器多依赖于不同功能材料组合（如热敏电阻、压阻MEMS传感器），并需额外防水封装，导致系统集成复杂、信号干扰风险增加。尽管已有研究尝试采用单一材料实现双模传感，但常存在界面分层、水渗透导致基线漂移、疏水改性工艺复杂等问题。金字塔微结构在湿环境中具有优异疏水性和应力集中效应，但其在热电材料中用于双模传感尚未报道。因此，研究人员旨在设计一种兼具本征疏水性和双模温度-压力传感能力的单一材料。
**研究内容与结论**：研究人员通过脉冲电沉积在柔性碳纸（CP）两侧构建金字塔界面结构的Bi?Se?层，并垂直堆叠形成多层膜传感器。优化沉积电位-0.02 V后，薄膜电导率达779.3 S cm
?1，塞贝克系数-36.9 μV K
?1，功率因子106.0 μW m
?1 K
?2（为CP的9倍）。金字塔界面赋予薄膜固有疏水性（接触角143.7°）和压阻效应，实现空气和水下环境中温度与压力信号的解耦检测。传感器温度响应时间0.9 s，压力灵敏度0.94% kPa
?1，具备宽检测范围（温度ΔT=0.2–80 K，压力0.1–100 kPa）。该传感器在呼吸监测、水下微扰动探测、人体运动追踪中验证了可行性，并表现出优异电磁屏蔽性能（X波段总屏蔽效能>62 dB）、柔性和阻燃性。论文发表在《Nano-Micro Letters》。
**关键技术方法**：主要采用脉冲电沉积法在CP基底上合成Bi?Se?，通过调控沉积电位和电量优化金字塔形貌；利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）表征物相与微观结构；通过霍尔效应测试和塞贝克系数测量评估热电性能；结合密度泛函理论（DFT）计算和有限元模拟分析界面电荷转移与应力分布；采用接触角测试和电阻变化表征疏水性与压阻响应；在X波段（8.2–12.4 GHz）测量电磁屏蔽效能；在空气和水下环境进行双模传感测试，并构建3×3传感阵列演示空间映射能力。
**研究结果**：
**3.1 合成、相与微观结构**：通过脉冲电沉积，在CP表面生长具有金字塔形貌的Bi?Se?层。XRD证实六方相Bi?Se?形成，且-0.02 V下(110)晶面择优取向最强。XPS显示Bi 4f和Se 3d特征峰及少量氧化峰。SEM观察到金字塔状微结构，EDS证明元素均匀分布。沉积电量50 C时获得最均匀金字塔形貌，70 C时过厚填充导致结构致密化。
**3.2 热电性能**：-0.02 V沉积电位下，载流子浓度和迁移率协同优化，电导率达779.3 S cm
?1，塞贝克系数-36.9 μV K
?1，功率因子106.0 μW m
?1 K
?2（为CP的9倍）。与文献中Bi?Se?基复合物相比具有明显优势。热电发电器件在ΔT=40 K时最大输出功率3.7 nW。
**3.3 空气与水中的温度传感**：10层堆叠传感器基于塞贝克效应实现自供电温度传感。水下连续指触200 s电压稳定，响应时间0.9 s，恢复时间1.4 s。在ΔT=20–40 K范围内稳态输出电压线性增加，灵敏度9.8 μV K
?1，可分辨最低ΔT=0.2 K。传感器在冷热气流中呈现双向电压响应，且非接触传感距离10–60 mm。集成到智能面罩中成功监测不同生理状态（静坐、站立、快速下蹲）下的呼吸频率。
**3.4 空气与水中的压力传感**：金字塔微结构实现疏水接触角143.7°，50 C沉积样品最佳。受压时层间接触面积增大导致电阻降低。有限元模拟表明金字塔结构接触面积渐进增大、应力分布均匀，优于岛状结构。10层器件在0–100 kPa范围内灵敏度0.94% kPa
?1，响应/恢复时间0.12/0.18 s。在空气和水中循环1000 s输出稳定，可检测手指弯曲、手腕转动等人体运动，及微笑、嘟嘴等面部微表情。水下测试中可感知水容器壁轻敲、气流扰动、水滴下落、振动（响应时间0.02 s）及不同搅拌转速（0–600 rpm）下的压力变化，并成功搭载于机器鱼尾部摆动200 s连续监测。
**3.5 无串扰双模检测**：通过对比放置冷/热水烧杯引起的电压和电阻变化，验证了温度-压力信号完全解耦。无论在水下还是空气中，压力变化不影响温度灵敏度，温度变化不影响压力灵敏度。3×3传感器阵列（各单元不同层数）可识别不同位置触摸，并编码单词（如“age”、“bed”、“hic”）。同时监测温度梯度变化（热水冷却）和压力变化（加水增重），实现时空映射。
**3.6 电磁屏蔽性能**：-0.02 V沉积的Bi?Se?/CP膜在X波段总屏蔽效能（SE
T）超过62 dB（CP为20 dB），吸收损耗主导（SE
A/SE
T=70.5%）。屏蔽机理包括界面反射、多次散射和缺陷诱导的偶极极化。在模拟手机待机（电场1.32 V/m）和通话模式（电场129.20 V/m，磁场5.50 μT）干扰下，传感器电压和电阻输出保持稳定，证明优良电磁兼容性。
**3.7 疏水性、柔性与稳定性**：接触角在pH=4、7、10溶液中分别为143.7°、140.6°、135.1°，对水、咖啡、茶、牛奶均高于CP。弯曲半径5 mm时电阻变化<10%，1000次弯曲后塞贝克系数波动<10%。100次浸水后电阻保持>95%。柔韧性优值（?FOM）优于近期Bi?Se?基材料。热重分析显示400°C以下无质量损失，酒精灯火焰中200 s不点燃（PI在3.5 s内燃烧）。砂纸磨损和超声处理3 h后仍保持良好性能。焦耳加热特性在0.1–2 V下可控加热至43.7°C。
**总结讨论与结论**：研究人员通过脉冲电沉积在柔性CP上构建金字塔结构Bi?Se?层，优化后获得优异热电性能、本征疏水性和压阻效应。传感器在空气和水下均能实现温度-压力信号的完全解耦检测，无需额外防水封装。其快速响应、宽检测范围、高灵敏度、电磁屏蔽、柔性和阻燃性使其适用于水下可穿戴双模传感。该研究为水下环境监测和人机交互提供了可靠策略。结论部分翻译如下：“为应对海洋资源勘探和水下环境监测等高湿环境下的应用需求，柔性传感器在不同介质（空气和水）中稳定运行并独立解耦温度、压力等多物理量信号面临重大挑战。本研究通过脉冲电化学沉积在柔性CP表面构建了具有金字塔结构的Bi?Se?层。通过优化沉积电位至-0.02 V，薄膜实现了779.3 S cm
?1的电导率、-36.9 μV K
?1的塞贝克系数和106.0 μW m
?1 K
?2的功率因子。独特的金字塔界面赋予材料本征疏水性（接触角143.7°）和压阻效应，使得在空气和水下环境中能够实现温度和压力信号的解耦检测。该材料还表现出显著的电磁屏蔽性能、柔性和阻燃性以及优异的稳定性，满足水相和浸没条件下全天候运行的要求。开发的传感器已成功应用于呼吸监测、水下微扰动探测和人体运动追踪，为可穿戴双模水陆两栖传感提供了创新解决方案。”
