Adv. Mater.：相互增强的聚合物-石墨烯双层膜用于高效声转导

【研究背景】

从声波发生器和接收器到纳米机电系统（NEMS）和净水装置，纳米级厚的自由悬浮机电膜是广泛技术的核心。在机电膜中使用超薄、轻质材料可显著降低能耗，提高机械和电能效率。原子薄层石墨烯具有重量轻、导电率高、机械强度高等优点，在轻质薄膜中具有广阔的应用前景。石墨烯被称为最强的二维材料，它可以通过机电驱动产生高声压级（SPL），这使得它有利于声学应用。然而，单层石墨烯（SLG）由于存在缺陷的碳-碳键而无法在大面积的自由悬浮状态下存活，主要发生在晶界处，疲劳和断裂的应力阈值较低。迄今为止，由Zettl及其同事率先开发的最大的石墨烯静电扬声器膜是由多层石墨烯制成的，直径只有几毫米。然而，多层石墨烯膜的光学透明度有限，不适合用作透明导电电极。仅石墨烯薄膜的刚度限制了驱动，悬架仅限于小面积。聚合物/石墨烯膜很有吸引力，因为聚合物层的引入为改善石墨烯基膜的性能创造了新的途径，但现有膜中聚合物层的厚度约为数十至数百微米。发展超薄、大面积、大长径比、机械性能强的SLG基膜是新兴NEMS应用的迫切需求。

【成果简介】

近日，弗吉尼亚理工学院Liu Guoliang、以色列特拉维夫市巴伊兰大学Doron Naveh教授以及Waves Audio有限公司的Gabriel Zeltzer制备了一种由聚醚酰亚胺和单层石墨烯组成的轻质、柔性、透明和导电的双层复合材料，并以前所未有的高宽高比10⁵悬浮在厘米级上。这两个组件的耦合导致了相互增强，并产生了一种能支撑3万倍于自身重量的超强薄膜。在机电驱动下，薄膜推动大量空气并产生高质量的声音。其能效比最先进的电动扬声器高10-100倍。双层膜的导电性、机械强度、光学透明性、热稳定性和耐化学性的综合性能将促进其在电子、机械和光学领域的应用。该文章近日以题为“Mutually Reinforced Polymer-Graphene Bilayer Membranes for Energy-Efficient Acoustic Transduction”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、PEI/SLG膜的制造示意图

（a）一层超薄的PEI被旋涂在载于Cu上的SLG上。

（b-d）断裂的SLG膜、撕裂的350 nm厚的PEI膜和悬挂在培养皿上的完整PEI/SLG膜的照片。

（e）拉伸PEI/SLG膜的照片。

（f）拉紧PEI/SLG膜的照片。

（g）组装好的PEI / SLG扬声器，用于机电测试。

（h-i）一张长方形的膜夹在DMA中。

（j）三种典型的拉伸曲线。

图二、PEI/SLG膜的静态机电驱动

（a）静电表征的设备示意图。

（b）圆形表面波在不同时间间隔的代表性快照。

（c）圆形表面波的速度与径向坐标和时间的关系。

（d）膜中心的偏转（x_c），膜的电容（C）和场感应电势（F_e）作为Vapplied的函数。

图三、实验和模拟共振频率和振动模式

（a）测量和模拟了PEI/SLG膜在不同频率下的动态机电驱动。

（b）六种典型振动模式的实验等值线图：422Hz时的模式（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）通过静态驱动（“在真空中计算”）计算的共振频率与通过动态驱动（“在空气中测量”）测得的共振频率进行比较。

图四、静电扬声器中PEI/SLG膜的机电性能

（a-b）由PEI/SLG膜和基准商用电动微型扬声器制成的静电扬声器样机的性能评估装置。

（c）PEI/SLG原型扬声器与微型电动扬声器在不同频率下的SPL和功耗比较。

【结论展望】

这项工作表明，单原子厚的SLG及其与超薄的高性能聚合物层的结合对于开发轻巧、透明和导电的薄膜是必不可少的，这种薄膜可以大面积悬浮并起到静电声扬声器的作用。这些PEI/SLG膜的超低重量和超高长径比是目前可用的任何其他电极材料所无法比拟的。重要的是，实验表明，SLG和PEI都不能单独用于大面积的独立膜，但这两种成分的协同整合对膜的机械完整性及其功能要求（例如张力、导电性、柔韧性、轻量化和高展弦比）至关重要。此外，PEI/SLG膜能承受高达≈210°C的温度，承受高达53.7 MPa的高拉伸应力，并且能够很容易地在常见有机溶剂（包括异丙醇、甲苯和己烷）下保存，其重量轻、柔韧性和导电性使其成为电声学的优良电极材料。其灵活的透明导电特性鼓励未来扩展到其他电光应用，如发光器件、光电器件、显示器、触摸屏、透明声学面板、传感器和其他纳米/微型机电系统。

文献链接：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。