鈣鈦礦在光聲換能器成功應(yīng)用

鉛鹵化物鈣鈦礦在光電領(lǐng)域中得到廣泛的研究，然而該類材料的熱性能卻很少被研究。本文作者展示了鈣鈦礦在光聲換能器中的成功應(yīng)用。

鹵化鉛鈣鈦礦在太陽能電池、LEDs和探測器中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。鈣鈦礦的熱性能，如熱容量和熱導(dǎo)率，很少被研究，相應(yīng)的器件也幾乎沒有被探索過。

來自華中科技大學(xué)的牛廣達教授結(jié)合鹵化鉛鈣鈦礦材料的高吸收系數(shù)、低比熱容和小熱擴散系數(shù)等優(yōu)異的性能將其應(yīng)用于光聲換能器中。

理論計算的聲子譜表明，光學(xué)聲子和聲學(xué)聲子的重疊導(dǎo)致聲學(xué)聲子的上轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致實驗測量的低熱擴散系數(shù)。PDMS/MAPbI3/PDMS的組裝器件同時實現(xiàn)了寬帶寬（?6 dB帶寬：40.8 MHz；中心頻率29.2 MHz）和高轉(zhuǎn)換效率（2.97 × 10?2），而所有這些參數(shù)都是光聲換能器的記錄值。

還通過將鈣鈦礦薄膜組裝到纖維上來制造微型器件，并清楚地解析了魚眼的精細結(jié)構(gòu)，這證明了基于鈣鈦礦的光聲換能器在超聲成像方面的強大競爭力。

鹵化鉛鈣鈦礦由于吸收系數(shù)大、缺陷密度低、載流子壽命長和制造工藝方便，最近成為有吸引力的光電半導(dǎo)體材料。這些特性有利于太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器和輻射探測器的優(yōu)異器件性能?；阝}鈦礦的太陽能電池已獲得認(rèn)證的25.2%的功率轉(zhuǎn)換效率，接近單晶硅太陽能電池。

鹵化鉛鈣鈦礦的另一個非凡的特性是熱性能，例如低導(dǎo)熱率和小比熱容，盡管有潛在的應(yīng)用，但受到的關(guān)注有限。Pisoni及其同事報告說CH3NH3PbI3的低熱導(dǎo)率為0.5 W m-1K-1。最近的研究發(fā)現(xiàn)，金屬鹵化物鈣鈦礦中存在光聲子和聲聲子的強耦合，強耦合使聲子向上躍遷，而聲子負(fù)責(zé)熱傳輸。上述行為導(dǎo)致聲學(xué)聲子壽命短（皮秒），對應(yīng)于納米平均自由程并表明聲學(xué)聲子無法有效散熱。

鈣鈦礦導(dǎo)熱系數(shù)小，比熱容低(2962 J kg?1K?1)，吸收系數(shù)高(104—105cm?1)，是應(yīng)用于光聲轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵特征，然而目前尚無報道。

光聲換能器可以提供超聲脈沖，具有廣泛的應(yīng)用，從生物醫(yī)學(xué)成像、治療性消融、大腦調(diào)制到無損檢測。與傳統(tǒng)壓電超聲換能器（大量布線和電磁干擾）相比，光聲換能器利用激光代替電力作為驅(qū)動源，避免了電子元件組裝的復(fù)雜性，光纖發(fā)射器甚至允許介入心臟病學(xué)應(yīng)用。

光聲換能器依賴于復(fù)合材料，一個負(fù)責(zé)光吸收，另一個負(fù)責(zé)熱膨脹，其中聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其高熱膨脹（β= 0.92×10?3K?1）和光學(xué)透明度而專門用作熱膨脹層，這使得可以使用可見激光進行激發(fā)，并使用類似于水的聲阻抗來減少界面上的超聲損耗。

在光吸收方面，碳材料，包括蠟燭煙塵顆粒、碳納米管（CNTs）和碳納米纖維，由于吸收系數(shù)大和熱容量低而被廣泛使用。最先進的光聲換能器利用碳納米管和PDMS的復(fù)合材料，實現(xiàn)了?6 dB帶寬為39.8 MHz，峰值頻率為28.5 MHz，超聲峰峰值幅度為~2.72 MPa。上述聲壓和帶寬仍落后于傳統(tǒng)壓電轉(zhuǎn)換器。因此，光聲換能器的主要挑戰(zhàn)是同時實現(xiàn)寬帶寬和高聲壓，這是高分辨率超聲成像的兩個決定性標(biāo)準(zhǔn)。

圖1.基于鈣鈦礦的光聲換能器。a光聲換能器和表征系統(tǒng)的示意圖。b聲場的模擬分布。c實驗測量的光聲換能器的聲波（黑色曲線）和頻譜（紅色曲線）。

圖2. MAPbI3的熱性能分析。a光聲換能器的機制。b測量的鈣鈦礦和其他代表性吸收劑的比熱容。c測量的不同光吸收材料的熱擴散系數(shù)。d MAPbI3內(nèi)發(fā)熱過程的示意圖。e MAPbI3的計算聲子譜。f聲子譜的態(tài)密度。

圖3. PDMS層厚度對波傳播的影響。a光聲信號傳播的示意圖。b隨著PDMS II層厚度的變化，聲壓的理論（虛線）和實驗（實線）結(jié)果。c不同光強下的光聲壓幅值。

圖4.基于光纖的光聲換能器。a回波信號檢測示意圖。b在不同位置被玻璃反射的測量回波信號。c全光超聲成像系統(tǒng)。d用于魚眼成像的激光產(chǎn)生的超聲波。

總之，作者證明了鹵化鉛鈣鈦礦和PDMS的組合產(chǎn)生了具有寬帶寬(40.8 MHz)、大聲壓（峰峰值：24.89 MPa）和高轉(zhuǎn)換效率（2.97 × 10?2）的出色光聲換能器。這種良好的性能得益于MAPbI3的大吸收系數(shù)、低比熱容(~308 J kg?1K?1)和低熱擴散系數(shù)。

從理論上驗證了有機陽離子相關(guān)的光聲子和無機骨架相關(guān)的聲學(xué)聲子的重疊是低熱導(dǎo)率的起源。此外，鈣鈦礦薄膜在小纖維上的方便制造使得可以使用光聲換能器作為小型化超聲源，并實現(xiàn)魚眼的高分辨率超聲成像。這項工作展示了一個令人鼓舞的案例，即利用金屬鹵化物鈣鈦礦的獨特?zé)嵯嚓P(guān)特性。還為設(shè)計高效的光聲換能器提供了范例，并使該技術(shù)更接近實際應(yīng)用，包括生物醫(yī)學(xué)成像、治療消融和大腦調(diào)制。

審核編輯：劉清