原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Chen M, Ji Y, Liu H, et al. Flexible Mo₂TiC₂T_x/TaS₂ van der Waals heterostructure films for bias‑free dual‑mode sensing and EMI shielding. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221391

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221391

ResearchGate：Flexible Mo₂TiC₂T_x/TaS₂ van der Waals heterostructure films for bias-free dual-mode sensing and EMI shielding.

基金支持：

感谢国家自然科学联合基金项目(No:U2230131)；国家自然科学基金青年科学基金项目(No:52603369)、江苏省研究生科研与实践创新计划(No: 26CXJH2715)、江苏省高等学校重点学科建设项目(PAPD)以及南京工业大学江苏省先进无机功能复合材料协同创新中心。

一、导读

随着电子皮肤和可穿戴健康监测的发展，柔性器件对温度、压力等多参数协同感知的需求不断增加。然而，传统多参数器件依赖独立传感单元和采集线路，结构复杂、集成困难。本研究构筑Mo₂TiC₂T_x/TaS₂范德华异质结薄膜，利用TaS₂导电桥接和界面调控改善载流子输运。该薄膜兼具热电与压阻效应，可通过热电电压实现温度、呼吸和光热感知，并通过电阻变化检测压力与运动，为可穿戴多参数传感和电磁防护一体化提供新方案。

二、研究背景

电子皮肤与可穿戴健康监测的发展推动柔性传感器由单一参数检测逐步转向多参数协同感知，实现对温度、压力及生理信号等多维信息的同步获取。传统多参数器件通常需要集成不同类型的传感单元，并配合独立的电极和信号传输线路，容易导致器件结构复杂和系统集成度受限。相比之下，同时具备热电效应和压阻效应的功能材料能够分别利用温差引起的电压变化和外力作用引起的电阻变化，实现温度与压力的独立识别，有望在简化器件结构的同时提升多参数感知能力。

二维过渡金属碳化物（MXene）因其可调控的表面端基、优异的柔韧性和良好的热电响应，成为构筑新型柔性多功能传感器的重要候选材料。其中，Mo₂TiC₂T_x具有层状结构和较高的塞贝克系数，在温度传感、热电转换及人体生理信号监测方面展现出应用潜力。然而，单组分Mo₂TiC₂T_x薄膜存在载流子输运受限、电导率偏低等问题，导致其功率因数和电磁干扰屏蔽效能难以同步提升，从而限制了其在高性能柔性电子器件中的进一步应用。因此，构建合理的异质结构、优化界面载流子输运并协同增强热电、传感与电磁屏蔽性能，是推动Mo基MXene柔性功能薄膜实用化的关键。

三、文章亮点

1.        构建范德华异质结构，改善热电性能：通过Mo₂TiC₂T_x/TaS₂组分优化与界面调控，电导率和热电功率因子分别达到原始薄膜的23和4倍。

2.        集成温压双模传感，实现无线实时监测：利用热电与压阻效应独立检测温度和压力，分别用于呼吸与关节运动监测，并结合无线模块实现信号的实时远程传输。

3.        实现光热电响应，拓展光学感知功能：利用光照引起的温差产生热电电压，实现光热电传感。

4.        增强界面极化损耗，兼顾电磁屏蔽与传感抗干扰能力：界面电荷积累与极化促进电磁波吸收和耗散，使屏蔽效能由14.1提高至40.6 dB；在智能手机、Wi-Fi路由器等设备产生的电磁干扰下，仍保持稳定的传感信号输出。

5.   循环与长期储存后保持稳定响应：器件经过超过1000次压力循环后仍表现稳定，封装储存六个月后，呼吸监测的响应幅度与测得频率均与储存前基本一致。

四、研究结果及结论

复合薄膜的制备与结构表征：Mo₂TiC₂T_x经TBA⁺插层、TaS₂经Li⁺插层后，层间距扩大并分别剥离形成纳米片；随后通过真空辅助过滤重新组装，制备MTa混合型以及MTM、TMT夹层型复合薄膜。XRD 分析表明，不同复合比例和堆叠方式会改变薄膜的层间距与界面结构，为其热电和传感性能调控提供了基础。

图1.（a）通过真空辅助过滤制备三类复合薄膜的示意图：不同质量比混合的Mo₂TiC₂T_x/TaS₂复合薄膜（MTa）、TaS_₂/Mo₂TiC₂T_x/TaS₂夹层结构薄膜（TMT）以及Mo₂TiC₂T_x/TaS₂/Mo₂TiC₂T_x夹层结构薄膜（MTM）。（b）原始Mo₂TiC₂T_x（M）、TaS₂以及MTa0.25、MTa0.5、MTa0.75、MTM和TMT复合薄膜的XRD图谱。（c）图（b）所示薄膜层间距与对应2θ角之间的关系。（d）和TaS₂由初始粉末，经Li⁺或TBA⁺插层再剥离为纳米片并组装形成MTa复合薄膜的结构演变示意图。

微观形貌表征：Mo₂TiC₂T_x/TaS₂复合薄膜呈现明显的层状结构，Mo、Ta及相关元素在薄膜截面内均匀分布，表明两种组分实现了有效复合。XPS结果显示，复合后Mo和Ta的化学环境发生变化，表明界面存在电子相互作用。KPFM测得的接触电势差分布进一步表明，异质界面产生了明显的电荷调控。

图2.（a）本征Mo₂TiC₂T_x粉末的TEM图像。（b）TaS₂薄膜的截面SEM图像；（c）TaS₂薄膜的截面TEM图像。（d）MTa0.75薄膜的截面SEM图像；（e）对应的EDS元素分布图。（f）MTa0.75薄膜的TEM图像。（g）M和MTa0.75样品中Mo 3d的高分辨率XPS光谱。（h）TaS₂和MTa0.75样品中Ta 4f的高分辨率XPS光谱。（i）MTa薄膜的KPFM接触电势差（CPD）分布图。

热电性能研究：通过对比不同组分比例薄膜的载流子迁移率、载流子浓度、电导率、塞贝克系数及功率因子，分析组分调控对电输运与热电性能的影响。其中，MTa0.75薄膜的电导率和功率因子分别达到878.3 S cm⁻¹和14.39 μW m⁻¹ K⁻²，较纯Mo₂TiC₂T_x薄膜分别提升约23倍和4倍。进一步将四片MTa0.75薄膜串联构筑热电发电器件，在30 K温差下输出功率为6.71 nW，为后续温差传感电器件的开发提供了基础。

图3. 本征及复合薄膜的（a）载流子迁移率μ、（b）载流子浓度n、（c）电导率σ、（d）塞贝克系数S及（e）功率因子PF。（f）由四片MTa0.75薄膜组装的热电发电器件（TEG）示意图。（g）TEG器件的测试电路示意图。（h）温差ΔT为10–30 K时，输出电压V随电流I的变化和（i）输出功率P随电流I的变化。

温度传感器：选取热电性能最优的MTa0.75薄膜集成传感器并基于热电效应产生的电压变化，实现了接触式与非接触式温度检测，并能够有效响应热水、冰水及不同距离下的手指靠近。将其集成于智能口罩后，传感器可监测不同身体姿态和静息状态下的呼吸信号；通过对不同受试者以及同一受试者间隔6个月的呼吸测试进行对比，验证了其良好的信号一致性和长期稳定性。此外，传感器还可根据触摸次数、手指数量及触摸顺序实现触觉识别与简单的信息编码。

图4.（a）MTa0.75传感器在5–17 K温差下的输出电压。（b）非接触式温度传感中，手指与传感器距离为2–10 mm时的输出电压变化。（c）传感器依次接触热水和冰水时的输出电压信号。（d）集成呼吸传感器的智能口罩示意图。（e）受试者处于不同身体姿态时的呼吸信号。（f）受试者静息状态下约10 min内的呼吸传感信号。（g）1200 s内手指重复触摸过程中的触觉传感信号。（h）单指、双指、三指和四指触摸产生的输出电压。（i）通过四指、双指和单指依次触摸形成“CAT”字样的信号序列。（j）传感器对单次手指触摸的响应时间，约为1.49 s。

压力传感器：传感器在0–60 kPa和60–100 kPa压力范围内表现出不同的灵敏度，经过1000次以上弯曲循环后仍保持稳定，并具有较快的响应与恢复速度。通过将其集成于手指、手腕、肘部和膝部，可识别压力变化并监测关节运动；结合无线模块，还可实现无线监测。

图5.（a）电阻随压力变化的关系。S₁和S₂分别表示0–60 kPa和60–100 kPa压力范围内的灵敏度系数，分别为1.38% kPa⁻¹和0.26% kPa⁻¹。（b）传感器经过1000次以上弯曲循环后电阻变化及部分循环的放大图。（c）单次弯曲循环中的响应时间和恢复时间。传感器分别集成于（d）手指、（e）手腕、（f）肘部和（g）膝部关节，用于运动监测时的电阻信号。（h）传感器与无线模块连接，并集成于口罩和肘部，用于呼吸和肘部弯曲无线监测的示意图。

电磁屏蔽性能：不同结构薄膜在8.2–12.4 GHz频段的电磁屏蔽性能对比表明，MTa0.75的总屏蔽效能、吸收屏蔽效能和反射屏蔽效能均高于本征M及两种夹层结构薄膜。静电势和电荷密度差计算表明，Mo₂TiC₂T_x与TaS₂接触后因功函数差异发生界面电荷转移，形成电荷耗尽区和积累区，并产生界面极化。结合屏蔽效能占比、趋肤深度以及反射率、吸收率和透射率，进一步阐明了异质结构对电磁波反射、吸收和耗散的调控作用；与文献报道的同厚度或相近厚度材料相比，MTa0.75薄膜表现出更优的电磁屏蔽效能，显示出其在电磁屏蔽器件中的应用潜景。

图6.（a）M、MTM、TMT和MTa0.75薄膜在8.2–12.4 GHz频段的总电磁干扰屏蔽效能SE_T。（b）平均吸收屏蔽效能SE_A、反射屏蔽效能SE_R和SE_T。（c）SE_A/SE_T比值。TaS₂（d）、Mo₂TiC₂T_x（e）及Mo₂TiC₂T_x/TaS₂异质结构（f）的平均静电势分布。E_f：费米能级；E_vac：真空区域中的静电势；Φ：功函数。（g）Mo₂TiC₂T_x/TaS₂界面的电荷密度差。青色和黄色区域分别表示电荷耗尽和电荷积累。（h）电磁干扰屏蔽机制示意图。（i）四种薄膜的趋肤深度δ。（j）薄膜的反射率（R）、吸收率（A）和透射率（T）。（k）本研究与文献报道材料的电磁干扰屏蔽效能随厚度变化的对比。

电磁波对传感性能的影响：将传感器置于手机通话、电脑及Wi‑Fi信号等电磁干扰环境中进行温度和压力测试，结果显示其输出信号始终保持稳定，表明器件具有良好的抗电磁干扰能力。在温度与压力协同作用下，堆叠式传感器的输出电压和电阻分别响应温差与压力变化，且两种信号之间未出现明显交叉干扰，实现了温度–压力双模解耦传感。

图7. 传感器在不同电磁场环境下的温度电压输出信号：（a）通话中的手机附近；（b）电脑附近；（c）工作状态下的Wi‑Fi信号附近。传感器在与之相同电磁干扰条件下的压阻输出信号：（d）通话中的手机附近；（e）电脑附近；（f）工作状态下的Wi‑Fi信号附近。（g–i）传感器在温度–压力协同刺激下的输出电压与电阻变化：（g）ΔT = 0 K、P = 20 kPa；（h）ΔT = 10 K、P = 20 kPa；（i）ΔT = 10 K、P = 40 kPa。

柔性、光热响应与电热调控：MTa0.75薄膜在大弯曲角度和不同弯曲半径下仍能保持稳定的塞贝克系数和电阻率，表明Mo₂TiC₂T_x与TaS₂纳米片之间的范德华相互作用赋予薄膜优异的柔性。在638 nm近红外光照射下，薄膜的输出电压和温升均随光功率密度增加而升高，并表现出良好的可重复光热电响应。此外，通过施加1–3 V电压，可实现薄膜温度的可控调节、循环响应及稳定维持。

图8.（a）MTa0.75薄膜在弯曲角度>160°下，经100–500次弯曲循环后的S相对变化。（b）电阻率随弯曲半径的变化R_s/R₀。R₀：平直状态下的电阻率；R_s：弯曲状态下的电阻率。（c）Mo₂TiC₂T_x与TaS₂纳米片之间柔性机制示意图。（d）638 nm近红外光照射下，输出电压和温升随光功率密度的变化。（e）不同光功率下光热电器件的重复电压响应。（f）施加不同电压时MTa0.75薄膜的红外热成像图。（g）施加1、2和3 V电压时温度随时间的变化。（h）1–3 V交变电压下的温度响应。（i）1 V电压下连续6个循环的温度变化。

五、作者及研究团队简介

宗鹏安（通讯作者），南京工业大学材料科学与工程学院教授、南京工业大学粉体科学与工程研究所所长。博士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，曾在清华大学、西北工业大学从事博士后研究。主要从事半导体热电材料与器件、功能粉体与电子浆料、微纳与柔性制造技术及其在特种能源、热管理和传感器中的应用研究。迄今主持国家自然科学基金、国家安全学术基金、国防及省部级课题等20余项。在 Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Journal of Advanced Ceramics、Nano Energy等刊物发表论文80余篇，申请及授权发明专利30余件，编著书籍章节4章。担任Journal of Advanced Ceramics期刊编委和Nano-micro Letters、Tungsten、《无机材料学报》青年编委、中国仪表功能材料学会电子元器件关键材料与技术专委会委员、中国石油和化工勘察设计协会粉体工程设计专业委员会委员等。

作者邮箱：pazong@njtech.edu.cn

陈梦然（第一作者），南京工业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院博士研究生，主持江苏省研究生科研与实践创新计划项目2项，以第一作者发表SCI论文5篇。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1) Zhu J, Wang Y, Liu H, et al. Carbon fiber/thermoelectric Ag₂S core–shell structure-based temperature–pressure dual-mode sensors. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(5): 9221073. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221073

2) Zhu J, Sun C, Feng W, et al. Permeable carbon fiber based thermoelectric film with exceptional EMI shielding performance and sensor capabilities. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(8): 1119-1131. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220922

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社有限公司出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD、WJCI等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的SCI影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2026年2月发布的WJCI影响因子为15.350，位列“陶瓷学”26种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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