華中科大牛廣達&朱本鵬合作Nat. Commun.：鹵素鈣鈦礦的高光聲轉化率及其在高分辨率超聲成像中的應用

鹵素鈣鈦礦在太陽能電池、發光二極管、光電探測等領域表現出優異的性能；但領域對鹵素鈣鈦礦的熱學特性及其應用關注極少。前期研究發現鹵素鈣鈦礦具有極低的導熱系數 (< 1 W m^-1 K^-1 )和小的比熱容(~ 308 J kg^-1 K^-1，室溫條件下)，結合其吸光系數大的特點，在光致超聲領域具有潛在應用價值。光致超聲換能器相比于傳統超聲換能器具有寬頻帶、抗電磁干擾、制備工藝簡單等特點，并被研究應用于超聲成像、神經刺激、細胞篩選、溶栓等。

基于以上研究現狀，華中科技大學的牛廣達教授與朱本鵬教授合作，首次利用鈣鈦礦(MAPbI₃)作為光吸收材料與具有高熱膨脹系數的聚二甲基硅氧烷(PDMS)復合，制備PDMS/MAPbI₃/PDMS/Glass復合結構的光致超聲換能器，研究發現該換能器可產生中心頻率為29.2 MHz (-6dB帶寬: ~140%)的高頻超聲，同時具有高的能量轉化效率（2.97×10^-2），其性能優于現有報道的其它結果，如圖1和表1所示。此外，他們將該光致超聲換能器制備在多模光纖（400μm）上，搭建了全光型超聲成像系統，實現了對魚眼切面結構的高分辨率超聲成像，如圖2所示。該研究結果基于鈣鈦礦獨特的光學及熱學特性，為其在生物醫學中的應用提供了新思路。相關研究成果以題目“Lead halide perovskite for efficient optoacoustic conversion and application toward high-resolution ultrasound imaging”于近日發表在Nature Communications雜志上(doi.org/10.1038/s41467-021-23788-4)，博士生杜鑫源和博士后李家普為該論文的共同第一作者，牛廣達教授和朱本鵬教授為論文的共同通訊作者，此外該論文的研究還受到唐江教授和楊曉非教授的細心指導，合作者還包括華中科技大學的Jun-Hui Yuan, Kan-Hao Xue, Mengling Xia,Weicheng Pan。

圖1 基于鈣鈦礦的光致超聲換能器。(a)換能器測試示意圖；(b)基于鈣鈦礦的光致超聲換能器聲場仿真結果；(c)聲波測試值（黑線為實測聲壓歸一化值，紅線為對應聲波傅里葉變換結果）

表1 具有代表性光致超聲換能器性能總結

圖2 基于鈣鈦礦光致超聲換能器的全光超聲成像。(a)基于鈣鈦礦光纖光致超聲換能器回波測試示意圖；(b)換能器不同位置的回波信號實測結果；(c)全光超聲成像系統示意圖（換能器作為聲波發射器，光纖水聽器作為聲波探測器）；(d)全光超聲成像系統對魚眼切面的高分辨率成像（左側為成像結果，右側上部為魚眼結構示意圖，右側下部為成像實驗過程）。

本文由作者投稿。