华科Nano Energy：基于多层碳纳米管结构的高转化效率光致超声换能器及应用

【引言】

传统的超声换能器是电驱动器件，依靠材料的压电与逆压电特性，实现“电”与“声”之间的能量和信息的交互。光致超声换能器属于光驱动器件，遵循光-热-声的能量转化关系，依靠脉冲激光照射光致超声材料产生超声信号。同压电型器件相比，光致超声换能器单元尺寸可以更小，且器件单元间无串扰，还不用考虑繁琐的“电连接”问题，因此其在声学器微型化和阵列化方面具有很大的优势。在光致超声换能器中，光致超声材料与器件结构决定着能量转化效率、光致超声频率和声压。通常，光致超声材料为无机/有机复合材料；无机材料负责吸光，将光转为热，有机物负责膨胀，将热转化为声，所以，无机材料需要吸光性能好，有机物需要热膨胀系数大。PDMS凭借优异的热膨胀系数（α=0.92×10^-3K^-1），已成为光致超声材料中有机物的理想选择。在无机材料方面，石墨、炭黑、金纳米颗粒、碳纳米管、碳纳米纤维、氧化还原石墨烯、蜡灰纳米颗粒被研究者们先后尝试用于与PDMS复合，光声转化效率仅为4.41×10⁻³。另外，传统的光致超声换能器需要用玻璃做衬底，而玻璃衬底会一定层度上抑制输出超声的声压。因此，如何提高光致超声换能器的能量转化效率和输出声压值是研究者们目前比较关心的问题。

【成果简介】

近日，来自华中滚球体育 大学的朱本鹏教授（通讯作者）等人在Nano Energy发文，题为“Multilayered carbon nanotube yarn based optoacoustic transducer with high energy conversion efficiency for ultrasound application ”。研究人员采用金纳米颗粒修饰的自编织碳纳米管布与PDMS复合，最终获得了freestanding的Au-CNT yarn-PMDS/PMDS 光致超声换能器结构，该结构可以消除衬底的夹持作用，有利于获得高的输出声压值。另外，研究人员对自编织碳纳米管布进行Au纳米颗粒修饰的目的就是为了增强器件的光吸收能力，这一点得到了光吸收测试实验的证实。从理论上分析可知，当激光照射在界面处的金纳米颗粒时会产生表面等离子体局域效应（LSPR），光能转化成热能得益于金属的光电发射过程，光子被吸收后金属表面电子被激发，产生电子和空穴两种载流子，在急速弛豫过程后，载流子将能量以热量的方式释放，加热自身及周围环境，从而极大地提高了换能器的光吸收能力，这有利于提高光声转化效率。通过理论模型，声学仿真结果与实验结果基本一致，这进一步证明了实验的可靠性。基于Au-CNT yarn-PMDS/PMDS结构的光致超声换能器，不用聚焦就能产生33.6Mpa的正声压和10MPa的负声压，其光声转化效率达到了2.74×10^-2,是以前文献报道结果的6.2倍。研究人员还成功将光致超声用于微粒操控研究，实现了对50mm小球的操控。

【图文导读】

图1.Au-CNT yarn-PMDS/PMDS结构示意图

(a). Au-CNT yarn-PMDS/PMDS结构截面示意图

(b). Au-CNT yarn-PMDS/PMDS结构顶部及底部示意图

图2.实验装置示意图

图3.实验结果图

(a). Au-CNT yarn和CNT yarn的光吸收谱

(b). Type I和Type II光致超声换能器声压

(c). Type I和Type II光致超声换能器频谱

(d). Type I和Type II光致超声换能器输出声压随光能变化

注：Au-CNT yarn-PMDS/PMDS结构是Type I，CNT yarn-PMDS/PMDS结构是Type II

图4.金纳米颗粒LSPR效应理论分析图

(a). 光致超声换能器结构示意图

(b). TypeⅠ型界面处温度分布

(c). TypeⅡ型界面处温度分布

(d). 表面局域等离子体共振（LSPR）示意图

图5.声学仿真与实验结果对比图

(a). TypeⅠ型声学仿真与实验对比图

(b). TypeⅡ型声学仿真与实验对比图

图6.超声操控50µm小球示意图

【小结】

研究人员利用多层碳纳米管布，研制了一种基于Au-CNT yarn-PDMS/PMDS结构的新型光致超声换能器。实验结果表明，Au纳米颗粒修饰达到了增强光吸收的效果，freestanding器件结构起到了消除衬底影响的作用；该光致超声换能器不仅输出声压大，而且光声转化效率高，其光声转化效率达到了2.74×10^-2，这是目前报道的最大值；另外，该光致超声换能器还被成功用于微粒操控研究。这为今后超声换能器设计与研制，以及生物医学超声应用研究提供了新思路。

文献链接：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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