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北京工业大学侯志灵教授团队：光电双场调控Bi₂Se₃纳米片的电容与电磁屏蔽性能精选

已有 6509 次阅读 2025-11-21 09:36 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

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

Cite this article:

Zhang J, Wang X, Cai J, et al. Multifunctional Bi₂Se₃ ceramic nanosheets compatible variable capacitor and tunable EMI shielding. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221211

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221211

ResearchGate：Multifunctional Bi 2 Se 3 ceramic nanosheets compatible variable capacitor and tunable EMI shielding

1、导读

本研究采用化学还原法成功制备了厚度可控的六方Bi₂Se₃陶瓷纳米片。在偏置电压下，该材料展现出显著的电容可调特性。同时，其电磁干扰屏蔽性能也随偏置电压的施加而显著增强，这主要得益于电导率的有效提升。在15 V偏置电压与200 mW·cm⁻²光功率密度条件下，Bi₂Se₃纳米片的平均电磁屏蔽效能（SE_T）从23.9 dB提升至62.8 dB。由于兼具电容可调与电磁屏蔽性能动态可控的双重功能，Bi₂Se₃陶瓷纳米片在智能存储与光电探测等领域具备广阔的应用前景。

2、研究背景

随着智能设备的功能集成度不断提高，其对多功能、可调控材料的需求日益凸显。可变电容材料作为一种关键功能材料，在通信与电子器件中应用广泛。然而，电子设备内部电路及多样化的通信模式会产生复杂的电磁信号，这不仅造成设备自身的信号干扰，也对其在多变环境下的电磁兼容性提出了更高要求。因此，开发具备动态可调电磁屏蔽特性的材料，已成为当前的研究热点。与传统固定性能的电磁屏蔽材料相比，屏蔽效能可调的材料更能适应不同通信协议与工作场景的差异化需求，为下一代智能设备的设计提供了关键的技术灵活性。

3、文章亮点

揭示了Bi₂Se₃纳米片在外加偏压下的电容动态可调机制，源于其独特的场致极化响应。基于场致极化特性，实现了通过电压与光照对材料电磁屏蔽性能的主动、双场调控。

4、研究结果及结论

本文采用化学还原合成法制备了六方Bi₂Se₃陶瓷纳米片，通过控制反应时间，实现了纳米片厚度可调。表征分析表明，成功合成了Bi₂Se₃单晶纳米片。

图1 Bi₂Se₃纳米片的SEM图(a)-(b) P1和(c) P2，(d) TEM图，(e) HRTEM图，(f) SAED，(g) STEM图，(h)-(i) P1的元素面分布，(j) Bi₂Se₃纳米片的XRD谱，(k) Bi 4f的高分辨率XPS谱，(l) Se 3d的高分辨率XPS谱。

Bi₂Se₃纳米片聚集体展现出屏蔽性能随电压连续可调的优异特性，当施加7 V偏置电压，2 GHz的屏蔽性能可以从15.1dB提升到22.9dB。电学性能测试结果表明，Bi₂Se₃纳米片聚集体对偏置电压呈现单调的非线性响应，电导率随偏压上升而提高，进而增强材料内部自由载流子浓度。在交变电场中，载流子迁移加速，导致介电常数与电容下降。这一电学行为为通过偏压调控电磁屏蔽性能提供了机制基础：随着偏置电压升高，材料的电磁屏蔽性能显著提升。进一步引入光照可协同增强这一调控效果。光生电流在偏置电压基础上进一步增强屏蔽性能，且该性能随光功率密度增大而持续提升。在5 V偏压与200 mW·cm⁻²光强条件下，Bi₂Se₃纳米片的电磁屏蔽效能提升高达172%；而在15 V偏压与同等光强下，其平均屏蔽效能由23.9 dB大幅提升至62.8 dB，实现了宽范围、可逆的电磁屏蔽性能智能调控。基于其对电、光双场的灵敏响应与性能可调性，Bi₂Se₃纳米片在新型微波开关、可调谐通信电路及智能可穿戴设备等领域，展现出作为理想功能材料的广泛应用前景。

图2 (a) P1和(d) P2的SE_T在不同偏置电压下的频率依赖性，P1和P2在(b) 0.1 V和(e) 5 V时的SE_T比较。(c) 5 V偏置电压，不同光功率密度下的电磁屏蔽效能随频率的变化，(f) 2 GHz频率下电磁屏蔽效能与偏压的关系曲线。(g) Bi₂Se₃电磁屏蔽效能与文献对比及可调电磁屏蔽的应用示意图。

5、作者及研究团队简介

张均营，北京工业大学物理与光电工程学院，校聘教授，博导，主要从事电磁功能材料的设计、仿真计算和物理机理等研究工作，在Advanced Functional Materials、Journal of Advanced Ceramics、Journal of Materials Science & Technology、ACS Applied Materials & Interfaces、Carbon和Nano Research等期刊发表SCI论文50余篇，其中入选ESI高被引论文6篇，获得省部级科技进步二等奖1项。担任Engineered Science期刊编委，Research 期刊青年编委，Nano-Micro Letters 期刊青年编委。

个人主页：https://spoe.bjut.edu.cn/info/1179/1685.htm

研究方向：电磁功能材料与器件

作者邮箱：zhangjy@bjut.edu.cn

作者ORCID：https://orcid.org/0000-0003-1956-0123

侯志灵，北京工业大学物理与光电工程学院，教授，博导，主要从事电磁功能材料与器件方向研究，在宽带吸波材料、电磁屏蔽材料、光热转换器件等方向取得了多项创新性成果。在Nature Communications、 Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Small、Carbon和Journal of Advanced Ceramics 等学术期刊上发表SCI收录论文100 余篇，他引10000余次，其中高被引论文10篇，获得省部级科学技术二等奖3项。担任中国复合材料学会电磁功能材料分会委员、北京电子学会材料电磁测量专委会委员、中国材料学会超材料分会理事

个人主页：https://spoe.bjut.edu.cn/info/1179/1684.htm

研究方向：电磁功能材料与器件，光学材料与器件

作者邮箱：houzl@bjut.edu.cn

作者ORCID：https://orcid.org/0000-0001-8450-4975

《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，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。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等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33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；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。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。