微納電子系任天令教授團(tuán)隊(duì)合作在柔性聲學(xué)器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)10月17日電 近日，微納電子系任天令教授團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》（ACS Nano）上發(fā)表了題為“柔性二維碳化鈦薄膜用于熱聲器件”（Flexible Two-Dimensional Ti3C2 MXene Films as Thermo-Acoustic Device）的研究論文。該工作首次實(shí)現(xiàn)了二維MXene材料在聲源器件方面的應(yīng)用，為進(jìn)一步拓展新型二維（2D）過(guò)渡金屬碳化物和氮化物的研究提供新的思路。同時(shí)，此項(xiàng)成果對(duì)于柔性可穿戴聲源器件的發(fā)展具有重大意義。
MXene作為新型的二維（2D）過(guò)渡金屬碳化物和氮化物材料，具有較高的比表面積、優(yōu)良的金屬導(dǎo)電性、豐富的表面官能團(tuán)等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能器、傳感器等領(lǐng)域。傳統(tǒng)基于熱聲效應(yīng)的聲源器件表明導(dǎo)電薄膜需要極低的熱熔和高的熱導(dǎo)。Ti3C2納米片作為MXene家族的代表，具有低單位面積熱容（HCPUA）和特殊二維層狀結(jié)構(gòu)，是用于熱聲器件理想的導(dǎo)電薄膜。
任天令教授首次將MXene納米材料應(yīng)用于聲學(xué)領(lǐng)域。由于MXene相比于石墨烯具有較大的界面層間距，在相同厚度有更低的等效HCPUA，從而表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。同時(shí)采用多孔氧化鋁(AAO)作為襯底降低了熱泄漏，進(jìn)一步提升了熱聲轉(zhuǎn)換效率。表面官能團(tuán)使MXene納米薄片表現(xiàn)出親水性，能夠分散在水溶液中，從而可以通過(guò)旋涂的方法實(shí)現(xiàn)MXene薄膜的大規(guī)模制備，有效降低了成本。此外，MXene納米片形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使薄膜在柔性聚酰亞胺(PI)襯底上具有好的穩(wěn)定性，有望在新型柔性可穿戴聲源應(yīng)用方面發(fā)揮重要的作用。封裝后的超薄MXene耳機(jī)實(shí)現(xiàn)了播放音樂(lè)的功能，在高頻下具有優(yōu)異的音質(zhì)，例如Opera 2的播放等。
MXene的表征及器件的聲學(xué)測(cè)試圖: a) Ti3C2納米片的SEM圖；b) AAO襯底上聲譜輸出圖；c)穩(wěn)定性測(cè)試圖；d-e) 封裝后的MXene耳機(jī)照片；f-g) 商用耳機(jī)與MXene耳機(jī)的聲譜響應(yīng)和音頻信號(hào)圖
近年來(lái)，任天令團(tuán)隊(duì)致力于二維材料的基礎(chǔ)研究和實(shí)用化應(yīng)用的探索，尤其關(guān)注研究突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類(lèi)傳感器件方面已取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，如柔性石墨烯收發(fā)聲器件、新型石墨烯阻變存儲(chǔ)器、光譜可調(diào)的石墨烯發(fā)光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調(diào)石墨烯應(yīng)力傳感器、仿生石墨烯壓力傳感器、極低功耗石墨烯鈣鈦礦阻變存儲(chǔ)器等相關(guān)成果曾多次發(fā)表于《自然電子》（Nature Electronics)、《自然通訊》（Nature Communications)、《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)、《納米快報(bào)》(Nano Letters)、《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米》(ACS Nano)和國(guó)際電子器件會(huì)議(IEDM)等。
微納電子系博士生茍廣洋、青島大學(xué)未來(lái)研究院金明亮教授等是文章共同第一作者，微電子所任天令教授、楊軼副教授、田禾助理教授和韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院(KAIST)的安致元(Chi Won Ahn)教授為論文通訊作者，該研究成果得到了國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目和科技部項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b03889
供稿：微納電子學(xué)系
編輯：李華山
審核：周襄楠
