華科Nano Energy：基于多層碳納米管結構的高轉化效率光致超聲換能器及應用

風之翼 5年前 (2018-03-05) 6619瀏覽

【引言】

傳統的超聲換能器是電驅動器件，依靠材料的壓電與逆壓電特性，實現“電”與“聲”之間的能量和信息的交互。光致超聲換能器屬于光驅動器件，遵循光-熱-聲的能量轉化關系，依靠脈沖激光照射光致超聲材料產生超聲信號。同壓電型器件相比，光致超聲換能器單元尺寸可以更小，且器件單元間無串擾，還不用考慮繁瑣的“電連接”問題，因此其在聲學器微型化和陣列化方面具有很大的優勢。在光致超聲換能器中，光致超聲材料與器件結構決定著能量轉化效率、光致超聲頻率和聲壓。通常，光致超聲材料為無機/有機復合材料；無機材料負責吸光，將光轉為熱，有機物負責膨脹，將熱轉化為聲，所以，無機材料需要吸光性能好，有機物需要熱膨脹系數大。PDMS憑借優異的熱膨脹系數（α=0.92×10-3K-1），已成為光致超聲材料中有機物的理想選擇。在無機材料方面，石墨、炭黑、金納米顆粒、碳納米管、碳納米纖維、氧化還原石墨烯、蠟灰納米顆粒被研究者們先后嘗試用于與PDMS復合，光聲轉化效率僅為4.41×10?3。另外，傳統的光致超聲換能器需要用玻璃做襯底，而玻璃襯底會一定層度上抑制輸出超聲的聲壓。因此，如何提高光致超聲換能器的能量轉化效率和輸出聲壓值是研究者們目前比較關心的問題。

【成果簡介】

近日，來自華中科技大學的朱本鵬教授（通訊作者）等人在Nano Energy發文，題為“Multilayered carbon nanotube yarn based optoacoustic transducer with high energy conversion efficiency for ultrasound application ”。研究人員采用金納米顆粒修飾的自編織碳納米管布與PDMS復合，最終獲得了freestanding的Au-CNT yarn-PMDS/PMDS 光致超聲換能器結構，該結構可以消除襯底的夾持作用，有利于獲得高的輸出聲壓值。另外，研究人員對自編織碳納米管布進行Au納米顆粒修飾的目的就是為了增強器件的光吸收能力，這一點得到了光吸收測試實驗的證實。從理論上分析可知，當激光照射在界面處的金納米顆粒時會產生表面等離子體局域效應（LSPR），光能轉化成熱能得益于金屬的光電發射過程，光子被吸收后金屬表面電子被激發，產生電子和空穴兩種載流子，在急速弛豫過程后，載流子將能量以熱量的方式釋放，加熱自身及周圍環境，從而極大地提高了換能器的光吸收能力，這有利于提高光聲轉化效率。通過理論模型，聲學仿真結果與實驗結果基本一致，這進一步證明了實驗的可靠性。基于Au-CNT yarn-PMDS/PMDS結構的光致超聲換能器，不用聚焦就能產生33.6Mpa的正聲壓和10MPa的負聲壓，其光聲轉化效率達到了2.74×10-2,是以前文獻報道結果的6.2倍。研究人員還成功將光致超聲用于微粒操控研究，實現了對50mm小球的操控。

【圖文導讀】

圖1. Au-CNT yarn-PMDS/PMDS結構示意圖

(a). Au-CNT yarn-PMDS/PMDS結構截面示意圖

(b). Au-CNT yarn-PMDS/PMDS結構頂部及底部示意圖

圖2.實驗裝置示意圖

圖3.實驗結果圖

(a). Au-CNT yarn和CNT yarn的光吸收譜

(b). Type I和Type II光致超聲換能器聲壓

(c). Type I和Type II光致超聲換能器頻譜

(d). Type I和Type II光致超聲換能器輸出聲壓隨光能變化

注：Au-CNT yarn-PMDS/PMDS結構是Type I，CNT yarn-PMDS/PMDS結構是Type II

圖4.金納米顆粒LSPR效應理論分析圖

(a). 光致超聲換能器結構示意圖

(b). TypeⅠ型界面處溫度分布

(c). TypeⅡ型界面處溫度分布

(d). 表面局域等離子體共振（LSPR）示意圖

圖5.聲學仿真與實驗結果對比圖

(a). TypeⅠ型聲學仿真與實驗對比圖

(b). TypeⅡ型聲學仿真與實驗對比圖

圖6.超聲操控50μm小球示意圖

【小結】

研究人員利用多層碳納米管布，研制了一種基于Au-CNT yarn-PDMS/PMDS結構的新型光致超聲換能器。實驗結果表明，Au納米顆粒修飾達到了增強光吸收的效果，freestanding器件結構起到了消除襯底影響的作用；該光致超聲換能器不僅輸出聲壓大，而且光聲轉化效率高，其光聲轉化效率達到了2.74×10-2，這是目前報道的最大值；另外，該光致超聲換能器還被成功用于微粒操控研究。這為今后超聲換能器設計與研制，以及生物醫學超聲應用研究提供了新思路。

文獻鏈接：Multilayered carbon nanotube yarn based optoacoustic transducer with high energy conversion efficiency for ultrasound application（Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.02.006）

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