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耳机或有新突破!清华首次将MXene纳米材料应用于声学领域

来源:材料科学与工程微信公众号|

发表时间:2019-10-21

点击:15972

文章来源:清华新闻网,供稿:微纳电子学系 


近日,清华大学微纳电子系任天令教授团队在《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)上发表了题为“柔性二维碳化钛薄膜用于热声器件”(Flexible Two-Dimensional Ti3C2 MXene Films as Thermo-Acoustic Device)的研究论文。该工作首次实现了二维MXene材料在声源器件方面的应用,为进一步拓展新型二维(2D)过渡金属碳化物和氮化物的研究提供新的思路。同时,此项成果对于柔性可穿戴声源器件的发展具有重大意义。


MXene作为新型的二维(2D)过渡金属碳化物和氮化物材料,具有较高的比表面积、优良的金属导电性、丰富的表面官能团等,已经被广泛应用于储能器、传感器等领域。传统基于热声效应的声源器件表明导电薄膜需要极低的热熔和高的热导。Ti3C2纳米片作为MXene家族的代表,具有低单位面积热容(HCPUA)和特殊二维层状结构,是用于热声器件理想的导电薄膜。 


图1. 基于二维MXene薄膜的热声耳机示意图


任天令教授首次将MXene纳米材料应用于声学领域。由于MXene相比于石墨烯具有较大的界面层间距,在相同厚度有更低的等效HCPUA,从而表现出更加优异的性能。同时采用多孔氧化铝(AAO)作为衬底降低了热泄漏,进一步提升了热声转换效率。表面官能团使MXene纳米薄片表现出亲水性,能够分散在水溶液中,从而可以通过旋涂的方法实现MXene薄膜的大规模制备,有效降低了成本。此外,MXene纳米片形成的导电网络使薄膜在柔性聚酰亚胺(PI)衬底上具有好的稳定性,有望在新型柔性可穿戴声源应用方面发挥重要的作用。封装后的超薄MXene耳机实现了播放音乐的功能,在高频下具有优异的音质,例如Opera 2的播放等。 


图2. MXene的表征及器件的声学测试图: a) Ti3C2纳米片的SEM图;b) AAO衬底上声谱输出图;c)稳定性测试图;d-e) 封装后的MXene耳机照片;f-g) 商用耳机与MXene耳机的声谱响应和音频信号图


近年来,任天令团队致力于二维材料的基础研究和实用化应用的探索,尤其关注研究突破传统器件限制的新型微纳电子器件,在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面已取得了多项创新成果,如柔性石墨烯收发声器件、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器、仿生石墨烯压力传感器、极低功耗石墨烯钙钛矿阻变存储器等相关成果曾多次发表于《自然电子》(Nature Electronics)、《自然通讯》(Nature Communications)、《先进材料》(Advanced Materials)、《纳米快报》(Nano Letters)、《美国化学学会纳米》(ACS Nano)和国际电子器件会议(IEDM)等。


微纳电子系博士生苟广洋、青岛大学未来研究院金明亮教授等是文章共同第一作者,微电子所任天令教授、杨轶副教授、田禾助理教授和韩国科学技术院(KAIST)的安致元(Chi Won Ahn)教授为论文通讯作者,该研究成果得到了国家自然基金重点项目和科技部项目的支持。


论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b03889


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