基于MXene–Ag₂Se@海绵的双模态传感器用于温度和压力解耦传感

主要作者与研究机构

本研究由电子科技大学机械与电气工程学院的翁璇（xuan weng）、李培林（peilin li）以及电子科技大学物理学院的贾晨阳（chenyang jia）等人共同完成，通讯作者为电子科技大学的姜海（hai jiang）教授。该研究成果发表于材料科学领域顶级期刊《Advanced Functional Materials》（先进功能材料），在线发表日期为2026年。

学术背景与研究目的

近年来，随着电子皮肤（electronic skin）和人机交互（human-machine interaction）技术的发展，能够同时检测多种物理信号（如压力、温度、湿度等）的柔性多模态传感器（flexible multimodal sensors）成为研究热点。然而，传统的多模态传感方案大多是将多个单一功能的传感单元简单集成，这往往导致器件体积庞大、制造工艺复杂。因此，开发集成度高、结构紧凑且能实现多参数同步检测的传感器具有重要意义。在众多可检测的物理参数中，温度和压力因其广泛的应用价值，成为最受关注的两个信号。例如，在可穿戴健康监测（wearable health monitoring）中，脉搏、关节运动和体温分别对应于压力与温度信号，因此开发一款能有效解耦（decouple，即将混合信号分离）温度和压力的双模态传感器至关重要。

然而，实现压力和温度信号的精准解耦是该领域的核心挑战。当前的传感器多存在交叉串扰（crosstalk）问题，即温度变化会引起电阻漂移，而压力也可能干扰热电信号，极大降低了测量精度。该研究团队旨在设计一种新型的双模态传感器，利用不同工作机理在空间上分离压力与温度的传导路径，从而在物理机制上实现信号的彻底解耦。研究团队采用了具有异质界面的MXene–Ag₂Se纳米复合材料，结合三电极构型，力求在单一传感单元上同时实现高灵敏度的压力与温度感知，并验证其在人体健康监测及电子皮肤阵列中的实际应用潜力。

详细研究流程

该研究的工作流程主要分为四个阶段：传感机理的设计与论证、纳米复合材料的制备与表征、单模态传感性能测试、以及解耦能力验证与应用展示。

在第一阶段，研究者基于传感机理进行了巧妙的传感器结构设计。该传感器的核心是由MXene–Ag₂Se纳米复合材料修饰的多孔海绵（sponge）骨架。传感器采用了一种特殊的三电极构型（three-electrode configuration）：顶层为单一电极，底层为叉指电极（interdigital electrode, IDE）。压力检测依赖于面外方向的压阻效应（out-of-plane piezoresistivity）：当外部压力施加时，海绵内部的导电网络发生空间重排，与底部叉指电极的接触面积增大，形成了更多的导电通路，导致接触电阻显著降低，从而实现压力感知。温度检测则依赖于面内方向的热电效应（in-plane thermoelectricity）：传感器顶层与底层叉指电极的一组指间构成热电回路。在垂直方向产生温度梯度时，由于MXene–Ag₂Se纳米复合材料的优异热电性能，电子从热端向冷端迁移，产生热电电压。

在第二阶段，研究者完成了纳米复合材料的合成与表征。首先，通过浸渍法使MXene纳米片均匀附着于三聚氰胺海绵骨架表面。随后，利用银镜反应（silver mirror reaction）在MXene修饰的海绵表面原位生长银纳米颗粒（AgNPs），并利用葡萄糖作为辅助还原剂提高银纳米颗粒的产率。最终，通过硒化反应（selenization reaction），将银纳米颗粒转化为窄带隙半导体硒化银（Ag₂Se），形成MXene–Ag₂Se异质界面。在材料表征方面，扫描电子显微镜（SEM）图像显示，MXene–Ag₂Se纳米复合材料均匀地包裹在海绵骨架表面，没有发现区域性富集或结构坍塌。高倍SEM图像揭示了一些针状的Ag₂Se晶体覆盖在MXene表面，另一些则嵌入MXene纳米片的缝隙中，形成了紧密结合的异质界面。X射线衍射（XRD）分析证实了复合材料中Ag₂Se的正交相结构，并且MXene的引入没有改变Ag₂Se的晶体结构。X射线光电子能谱（XPS）进一步揭示了MXene与Ag₂Se之间形成了C─Ag化学键，这表明Ag₂Se是通过化学键定而非物理吸附锚定在MXene表面，这种牢固的界面结合有助于在传感过程中稳定电学通路。此外，研究者还运用了基于密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）的第一性原理计算（first-principles calculations），模拟了Ag₂Se在不同压力下的能带结构。结果显示，在高达100 kPa的外部压力下，Ag₂Se的能带结构保持稳定，没有发生明显的能带重组或坍塌，这从理论上证明了该材料的热电响应主要受温度梯度驱动，而非压力，从而保证了两种信号解耦的物理基础。

在第三阶段，研究团队对传感器的单模态性能进行了系统测试。在压力传感性能测试中，传感器展现出卓越的性能。其压力灵敏度（sensitivity）在三个不同的区间内表现出色：在0-25 kPa的低压区灵敏度高达2.202 kPa⁻¹，在25-60 kPa中压区为0.466 kPa⁻¹，在60-300 kPa高压区为0.076 kPa⁻¹。这种分段且高灵敏的特性使该传感器能够覆盖从微小压力到大范围的检测需求。其响应时间（response time）极快，仅为37毫秒，恢复时间为82毫秒。传感器甚至能检测到低至19.6 Pa的超低压，并在2000次加压-卸压循环测试后依然保持稳定的输出信号波形，证明其优异的耐久性。在温度传感性能测试中，该传感器在20 K的温差范围内展示了线性度极佳的热电电压输出，其塞贝克系数（Seebeck coefficient）高达175.47 µV/K，能够精准分辨低至0.2 K的温度梯度。在225次的加热-冷却循环中，传感器的电压输出表现出良好的重复性与稳定性。

在第四阶段，即解耦能力的验证与应用中，研究首先量化了压力对温度信号的干扰。在不同幅度（0-40 kPa）的持续压力作用下，传感器的塞贝克系数绝对值始终稳定在约175 µV/K，表明外部压力对热电电压的影响微乎其微。接着，研究了温度对压力信号的干扰。在不同温度梯度下的电流-电压（I-V）曲线显示，曲线斜率保持平行，证明温度变化不会改变传感器的输出电阻，从而确保了压力信号检测的可靠性。最后，在同时变化的温度和压力刺激下，传感器清晰地输出两路互不干扰的信号。在人体应用测试中，传感器被成功贴附于手腕，精确记录了包括叩击波（P1）、潮汐波（P2）和重搏波（P3）在内的桡动脉脉搏波形；在肘部弯曲检测中，电阻变化率随弯曲角度呈阶梯状增长。作为电子皮肤的验证，研究者制作了一个4x4的传感器阵列，成功实现了对放置于其表面的热水烧杯的温度与压力分布的空间映射。

主要结论与研究价值

研究团队成功开发了一种基于MXene–Ag₂Se纳米复合海绵的柔性双模态传感器。通过将面内热电与面外压阻机制在空间上进行分离，并结合三电极设计，该传感器在物理层面实现了温度与压力信号的彻底解耦，解决了多模态传感器长期存在的串扰难题。

该研究的科学价值在于，它不仅提供了一种通过构建异质界面来增强载流子传输并在微观层面分离物理感知机理的有效策略，还借助DFT计算从能带结构稳定性角度阐明了压力不干扰热电电压的理论依据。在应用价值上，该传感器集成了高压力灵敏度、超低温度检测限、快速响应与长期耐久性等优异特性，在人体脉搏波形监测、关节运动追踪和体温检测等可穿戴健康领域展现了巨大潜力。其作为电子皮肤在空间映射方面的成功展示，更为其在智能机器人（intelligent robotics）触觉感知、高级人机交互界面等领域的应用铺平了道路。

研究亮点

本研究的亮点可归纳为三点。其一，创新的解耦策略：利用三电极构型实现了面内热电与面外压阻的空间分离，这是一种从物理机制上解决信号串扰的巧妙且有效的方法。其二，优异的综合性能：传感器在压力检测上同时实现了超高灵敏度与超低检测限，在温度检测上拥有极高的塞贝克系数和0.2 K的微弱温差分辨能力，这种在多种性能指标上均显著优于既往报道的双模态传感器的情况是其突出优势。其三，扎实的理论与机理支撑：研究不仅停留在器件制备与性能测试，更深入结合XPS分析的化学键合证据与DFT计算的能带结构稳定性分析，清晰、有力地论证了MXene-Ag₂Se异质界面对性能增强及信号解耦的关键作用，使得研究成果更具深度和说服力。