Adv. Mater.：相互增強的聚合物-石墨烯雙層膜用于高效聲轉導

【研究背景】

從聲波發生器和接收器到納米機電系統（NEMS）和凈水裝置，納米級厚的自由懸浮機電膜是廣泛技術的核心。在機電膜中使用超薄、輕質材料可顯著降低能耗，提高機械和電能效率。原子薄層石墨烯具有重量輕、導電率高、機械強度高等優點，在輕質薄膜中具有廣闊的應用前景。石墨烯被稱為最強的二維材料，它可以通過機電驅動產生高聲壓級（SPL），這使得它有利于聲學應用。然而，單層石墨烯（SLG）由于存在缺陷的碳-碳鍵而無法在大面積的自由懸浮狀態下存活，主要發生在晶界處，疲勞和斷裂的應力閾值較低。迄今為止，由Zettl及其同事率先開發的最大的石墨烯靜電揚聲器膜是由多層石墨烯制成的，直徑只有幾毫米。然而，多層石墨烯膜的光學透明度有限，不適合用作透明導電電極。僅石墨烯薄膜的剛度限制了驅動，懸架僅限于小面積。聚合物/石墨烯膜很有吸引力，因為聚合物層的引入為改善石墨烯基膜的性能創造了新的途徑，但現有膜中聚合物層的厚度約為數十至數百微米。發展超薄、大面積、大長徑比、機械性能強的SLG基膜是新興NEMS應用的迫切需求。

【成果簡介】

近日，弗吉尼亞理工學院Liu Guoliang、以色列特拉維夫市巴伊蘭大學Doron Naveh教授以及Waves Audio有限公司的Gabriel Zeltzer制備了一種由聚醚酰亞胺和單層石墨烯組成的輕質、柔性、透明和導電的雙層復合材料，并以前所未有的高寬高比10⁵懸浮在厘米級上。這兩個組件的耦合導致了相互增強，并產生了一種能支撐3萬倍于自身重量的超強薄膜。在機電驅動下，薄膜推動大量空氣并產生高質量的聲音。其能效比最先進的電動揚聲器高10-100倍。雙層膜的導電性、機械強度、光學透明性、熱穩定性和耐化學性的綜合性能將促進其在電子、機械和光學領域的應用。該文章近日以題為“Mutually Reinforced Polymer-Graphene Bilayer Membranes for Energy-Efficient Acoustic Transduction”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、PEI/SLG膜的制造示意圖

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（a）一層超薄的PEI被旋涂在載于Cu上的SLG上。

（b-d）斷裂的SLG膜、撕裂的350 nm厚的PEI膜和懸掛在培養皿上的完整PEI/SLG膜的照片。

（e）拉伸PEI/SLG膜的照片。

（f）拉緊PEI/SLG膜的照片。

（g）組裝好的PEI / SLG揚聲器，用于機電測試。

（h-i）一張長方形的膜夾在DMA中。

（j）三種典型的拉伸曲線。

圖二、PEI/SLG膜的靜態機電驅動

（a）靜電表征的設備示意圖。

（b）圓形表面波在不同時間間隔的代表性快照。

（c）圓形表面波的速度與徑向坐標和時間的關系。

（d）膜中心的偏轉（x_c），膜的電容（C）和場感應電勢（F_e）作為Vapplied的函數。

圖三、實驗和模擬共振頻率和振動模式

（a）測量和模擬了PEI/SLG膜在不同頻率下的動態機電驅動。

（b）六種典型振動模式的實驗等值線圖：422Hz時的模式（0,1），949Hz的模式（1,1），1574Hz的模式（0,2），3012Hz的模式（0,3），以及3933Hz（V）和9140Hz（VI）的混合模式。

（c）通過靜態驅動（“在真空中計算”）計算的共振頻率與通過動態驅動（“在空氣中測量”）測得的共振頻率進行比較。

圖四、靜電揚聲器中PEI/SLG膜的機電性能

（a-b）由PEI/SLG膜和基準商用電動微型揚聲器制成的靜電揚聲器樣機的性能評估裝置。

（c）PEI/SLG原型揚聲器與微型電動揚聲器在不同頻率下的SPL和功耗比較。

【結論展望】

這項工作表明，單原子厚的SLG及其與超薄的高性能聚合物層的結合對于開發輕巧、透明和導電的薄膜是必不可少的，這種薄膜可以大面積懸浮并起到靜電聲揚聲器的作用。這些PEI/SLG膜的超低重量和超高長徑比是目前可用的任何其他電極材料所無法比擬的。重要的是，實驗表明，SLG和PEI都不能單獨用于大面積的獨立膜，但這兩種成分的協同整合對膜的機械完整性及其功能要求（例如張力、導電性、柔韌性、輕量化和高展弦比）至關重要。此外，PEI/SLG膜能承受高達≈210°C的溫度，承受高達53.7 MPa的高拉伸應力，并且能夠很容易地在常見有機溶劑（包括異丙醇、甲苯和己烷）下保存，其重量輕、柔韌性和導電性使其成為電聲學的優良電極材料。其靈活的透明導電特性鼓勵未來擴展到其他電光應用，如發光器件、光電器件、顯示器、觸摸屏、透明聲學面板、傳感器和其他納米/微型機電系統。

文獻鏈接：Mutually Reinforced Polymer-Graphene Bilayer Membranes for Energy-Efficient Acoustic Transduction (Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202004053)

本文由大兵哥供稿。

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