2023-02-24 12:22:31

石墨烯扬声器

专题｜清华大学任天令教授团队石墨烯器件研究进展 - 材料牛

团队介绍：

团队负责人任天令教授，长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者、清华大学信息科学技术学院院长助理、清华大学环境与健康传感技术研究中心副主任、IEEE电子器件学会副主席（中国大陆至今唯一）、IEDM执行委员会委员（2015-2016，中国大陆至今唯一）。任教授1997年博士毕业于清华大学现代应用物理系，2003年起为清华大学微电子所教授，2011年至2012年为美国Stanford大学电子工程系访问教授。

近年来，任教授团队致力于研究突破传统器件限制的新型微纳电子器件，为新一代微纳电子器件技术奠定基础，尤其关注石墨烯传感器的基础研究与应用探索，在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面获得了多项重要创新成果，如柔性石墨烯发声器件、智能石墨烯人工喉、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器等。

任教授团队承担了国家自然科学重点基金、国家重大科技专项、科技部863计划、科技部973计划等多项重要科研项目。主要研究方向为新型微纳电子器件与集成系统技术，包括：智能传感技术、二维纳电子器件、新型存储器、柔性微电子器件与系统等。在国内外学术期刊和会议发表论文300余篇，包括

Nature Communications

、

Energy & Environmental Science

、

Advanced Materials

、

Nano Letters

、

ACS Nano

、

Nanoscale

、

Applied Physics Letters

、

IEEE Electron Device Letters

等SCI 期刊论文160余篇，国际微电子领域顶级学术会议IEDM论文10篇；获国内外发明专利50余项。

任天令教授团队成员还包括：杨轶副教授，伍晓明副教授，付军副教授，王敬副教授，谢丹副教授，梁仁荣助理研究员，田禾助理教授，以及40余名博士后、研究生和本科生。

团队工作汇总：

智能石墨烯人工喉

任教授团队研制出了智能石墨烯人工喉，其利用石墨烯的热声效应来发射声音，利用石墨烯的压阻效应来接收声音，实现了单器件的声音收发同体。器件使用的多孔石墨烯材料具有高热导率和低热容率的特点，能够通过热声效应发出100Hz－40kHz的宽频谱声音；其多孔结构对压力也极为敏感，能够感知发声时喉咙处的微弱振动，可以通过压阻效应接收声音信号。因此，这种器件能够准确感知聋哑人低吟、尖叫等特殊声音，并将这种“无含义声音”转换为频率、强度可控的声音，有望辅助聋哑人“开口说话”。该项工作被人民网、新浪科技、清华新闻网等媒体报道。

图1，智能石墨烯人工喉发声。(L. Q. Tao, H. Tian, Y. Liu, Z. Y. Ju, Y. Pang, Y. Q. Chen, D. Y. Wang, X. G. Tian, J. C. Yan, N. Q. Deng, Y. Yang, and T. L. Ren. An intelligent artificial throat with sound-sensing ability based on laser induced graphene. [J].

Nature Communications

, 2017, 8:14579.)

论文链接：

https://www.nature.com/articles/ncomms14579

石墨烯波长/色彩可调LED

迄今为止，所有的发光器件中，发光颜色（波长）由发光材料决定。对于现有的发光器件而言，一旦制备完成，其发光波长是固定的。传统显示或照明技术通过调整几种固定颜色（典型器件使用红、绿、蓝三基色）发光单元的亮度，来实现颜色的表示或白光的合成。任教授团队首次报道了的基于石墨烯的波长/色彩可调LED，在获得优异的颜色保真度的同时，还可以使得显示器件内的发光单元数目显著减小，从而极大地优化驱动电路并降低功耗，这项成果在相关领域具有深远的意义。该项工作被中国青年网、新浪网、清华新闻网等媒体报道。

图2，石墨烯LED发出不同颜色的光示意图。(X. M. Wang, H. Tian, M. A. Mohammad, C. Li, C. Wu, Y. Yang, and T. L. Ren. A spectrally tunable all-graphene-based flexible field-effect light-emitting device [J].

Nature Communications

, 2015, 6:7767.)

论文链接：

https://www.nature.com/articles/ncomms8767

石墨烯硅柱阵列异质结太阳能电池

任天令教授团队从理论和实验研究了提高石墨烯/硅异质结太阳能电池效率的方法。该研究从理论上提出了石墨烯/硅异质结太阳能电池的理论模型，模型分析显示，通过控制石墨烯层数，调节石墨烯功函数和增加防反射层，最多可实现9%的转化效率。根据理论预测结果，团队制备了石墨烯/硅柱阵列异质结太阳能电池，从实验上实现了高达7%的转化效率。该研究从理论和实验系统性地研究了石墨烯在太阳能电池中发挥的关键作用，对于石墨烯太阳能电池的发展具有重要意义。

图3，石墨烯硅柱阵列异质结太阳能电池的结构和性能测试结果。(Y. X. Lin, X. Li, D. Xie, T. Feng, Y. Chen, R. Song, H. Tian, T. L. Ren, M. Zhong, K. Wang, and H. Zhu. Graphene/semiconductor heterojunction solar cells with modulated antireflection and graphene work function [J].

Energy & Environmental Science

, 2012, 6(1):108-115.)

论文链接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/ee/c2ee23538b#!divAbstract

窗口可调阻变存储器

阻变存储器一直被认为是新一代的非挥发存储器，然而传统阻变存储器的制备工艺一旦完成其存储窗口就固定了，这极大限制了其应用范围。任天令教授团队首次提出了基于石墨烯的栅控阻变存储器新概念，这一新型存储器的写电压可在0.27V至4.5V之间连续可调，存储窗口可调具有广泛的应用前景，比如低擦写电压可实现系统的低功耗。这一栅控结构还可作为阻变存储器阵列的选通开关，有望替代现有的分立的1D1R结构，可对当代高密度存储技术产生革命性影响。该项工作被清华新闻网等媒体报道。

图4，石墨烯电极窗口可调阻变存储器结构示意图和测试结果。(H. Tian, H. M. Zhao, X. F. Wang, Q. Y. Xie, H. Y. Chen, M. A. Mohammad, C. Li, W. T. Mi, Z. Bie, C. H. Yeh, Y. Yang, H. S. P. Wong, P. W. Chiu, and T. L. Ren. Tian H, Zhao H, Wang X F, et al. In Situ Tuning of Switching Window in a Gate-Controlled Bilayer Graphene-Electrode Resistive Memory Device. [J].

Advanced Materials

, 2015, 27(47):7766.)

论文链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201503125/abstract

石墨烯动态突触器件

类脑计算概念的提出，为微电子芯片的彻底革新提供了崭新的途径。人脑中有数以亿计的神经元，不同的神经元之间又由突触所连接，在这张庞大的神经网络中，突触扮演着最为基础和重要的角色，突触强度的可塑性是实现记忆和学习的基础。任天令教授团队创新性的采用双层旋转石墨烯，结合氧化铝作为离子传输层实现了类突触器件，同时通过背栅作为神经调节器，来控制突触后输出电流信号的强度。在负的背栅电压下，可实现兴奋型的类突触行为，在正的背栅电压下，能够将突触行为调制成抑制型，并且还能够模拟突触发育的全过程。这项工作首次实现了类突触器件的可塑性可调，为类脑芯片模仿人脑神经网络更高程度的智能提供了可能，在相关领域具有深远的意义。该项工作被搜狐科技、清华新闻网等媒体报道。

图5，石墨烯动态突触器件示意图和测试结果。(H. Tian, W. T. Mi, X. F. Wang, H. M. Zhao, Q. Y. Xie, C. Li, Y. X. Li, Y. Yang, and T. L. Ren. Graphene dynamic synapse with modulatable plasticity [J].

Nano letters

, 2015, 15(12): 8013-8019.)

论文链接：

http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5b03283

石墨烯柔性阻变存储器

任天令教授团队通过激光直写还原技术制备了新型柔性石墨烯阻变存储器，相比于传统平面型阻变存储器，本团队器件是类似于Fin的结构，该结构使用无需任何光刻板的激光直写石墨烯技术，可以非常精确在制定位置生长石墨烯，使用激光定义石墨烯图形，之后覆盖氧化物，最后制备上顶电极。该器件具有非常好的柔性和较高的器件稳定性。

图6，激光直写石墨烯柔性阻变存储器制备示意图。(H. Tian, H. Y. Chen, T. L. Ren, C. Li, Q. T. Xue, M. A. Mohammad, C. Wu, Y. Yang, and H. S. P. Wong. Cost-effective, transfer-free, flexible resistive random access memory using laser-scribed reduced graphene oxide patterning technology [J].

Nano letters

, 2014, 14(6): 3214-3219.)

论文链接：

http://pubs.acs.org/doi/10.1021/nl5005916

石墨烯电极阻变存储器中的氧原子移动

阻变存储器的工作机制主要是通过氧原子的移动来解释，然而目前对于氧原子移动机制的研究大多停留在理论阶段，通过实验验证氧原子移动的工作机制具有重要的意义。任天令教授团队提出将石墨烯插入到阻变存储器的氧化物与金属电极界面，通过在阻变存储器处于不同状态下时测试石墨烯的拉曼能谱，实现了对其中氧原子的移动规律的观测，为阻变存储器的机理研究提供了重要的分析手段和方法。

图7，石墨烯插入阻变存储器结构示意图和测试结果。(H. Tian, H. Y. Chen, B. Gao, S. Yu, J. Liang, Y. Yang, D. Xie, J. Kang, T. L. Ren, Y. Zhang, and H.-S. P. Wong. Monitoring oxygen movement by Raman spectroscopy of resistive random access memory with a graphene-inserted electrode [J].

Nano letters

, 2013, 13(2): 651-657.)

论文链接：

http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nl304246d

石墨烯纸基压力传感器

任天令教授团队创新性地提出了一种石墨烯纸基压力传感器，该器件通过热还原手段，将多层混合的氧化石墨烯溶液与纸材料转变为多层石墨烯纸。利用石墨烯纸层间的空气通道以及纸材料独特的微孔结构，有效使得石墨烯纸在压力作用下，阻值发生显著变化，从而实现对压力的高灵敏度探测。并且，可以通过对纸的类型以及纸的层数进行优化，实现了压力传感器灵敏度的进一步提升。该器件在可穿戴应用方面具有极高的灵敏度，从而实现脉搏、呼吸以及多种运动状态的精确检测，对于柔性智能可穿戴传感器的发展具有重大意义。此外，这一新型石墨烯纸基器件还具有环保、低成本、高柔性等突出特点。该项工作被清华新闻网等媒体报道。

图8，石墨烯纸基压力传感器示意图和测试结果。(L. Q. Tao, K. N. Zhang, H. Tian, Y. Liu, D. Y. Wang, Y. Q. Chen, Y. Yang, and T. L. Ren. Graphene-Paper Pressure Sensor for Detecting Human Motions [J].

ACS nano

, 2017. (just accepted))

论文链接：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b02826

多层单晶石墨烯可控生长

任天令教授团队利用常压化学气相沉积法，优化生长参数，在多晶铜箔表面制备出大尺寸不同堆叠方式的单晶六角形双层与三层石墨烯，通过六角形的相对取向可以大体判断石墨烯层间的旋转角度，使用原子层沉积技术对几层石墨烯的生长机理进行了探讨，并利用湿法转移的方式将所制备石墨烯完好地转移到了二氧化硅等衬底上，便于后续观测与应用。然后利用拉曼光谱结合透射电子显微镜，对所制备的单晶双层与三层石墨烯进行了较为系统的分析，表明能带结构与堆叠方式密切相关、单层石墨烯较AB堆叠双层石墨烯能更好地减弱衬底作用以及30°旋转堆叠会造成很少量的缺陷。

图9，多层单晶石墨烯可控生长示意图和光学照片。(H. M. Zhao, Y. C. Lin, C. H. Yeh, H. Tian, Y. C. Chen, D. Xie, Y. Yang, K. Suenaga, T. L. Ren, and P. W. Chiu. Growth and Raman spectra of single-crystal trilayer graphene with different stacking orientations [J].

ACS nano

, 2014, 8(10): 10766-10773.)

论文链接：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn5044959

10.

石墨烯耳机

任天令教授团队采用激光直写技术，制备新型柔性石墨烯耳机，相比于传统电磁式耳机，该耳机具有柔性和超薄的特点，以及低成本、高速和无需转移的优势，此外该石墨烯耳机能覆盖可听域和超声域，具有比商用耳机更为广阔而平坦的声频谱输出。相比于可听域，动物的听觉对超声频段的声音更为敏感，因此石墨烯耳机不仅可以应用于人，还有望应用于人与动物的交流，团队基于该石墨烯耳机实现了对动物行为的控制。

图10，石墨烯耳机制备示意图和测试结果。(H. Tian, C. Li, M. A. Mohammad, Y. L. Cui, W. T. Mi, Y. Yang, D. Xie, and T. L. Ren. Graphene earphones: entertainment for both humans and animals [J].

ACS nano

, 2014, 8(6): 5883-5890.)

论文链接：

http://pubs.acs.org/doi/10.1021/nn5009353

11.

石墨烯应力传感器

任天令教授团队利用激光直写还原氧化石墨烯技术制备了一系列的传感器。利用该技术成功实现了柔性石墨烯应力传感器的制备，在DVD光盘基底上涂覆一层氧化石墨烯溶液层，利用激光还原并直接图形化得到应力传感器。该方法可获得具有多层堆叠结构的石墨层，其灵敏度为0.11。此外，利用单次直写可以得到石墨烯微米条带，其灵敏度提高到9.49，主要由形变产生层间断裂结构的接触面积变化而导致电阻的改变。

图11，石墨烯应力传感器示意图和测试结果。(H. Tian, Y. Shu, Y. L. Cui, W. T. Mi, Y. Yang, D. Xie, and T. L. Ren. Scalable fabrication of high-performance and flexible graphene strain sensors [J].

Nanoscale

, 2014, 6(2): 699-705.)

论文链接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/nr/c3nr04521h

12.

超灵敏宽范围石墨烯压力传感器

任天令教授团队同时利用此技术也可以实现石墨烯压力传感器。通过把两层激光直写得到的石墨烯相对封装后得到具有超高压力响应范围的传感器，高达120 kPa，在0-50 kPa其灵敏度为0.96 kPa。由于其具有V字形的表面微结构能对按压、弯曲和扭曲有明显的响应，同时还可以制备成阵列实现对压力分布的成像。

图12，石墨烯压力传感器示意图及SEM表征结果。(H. Tian, Y. Shu, X. F. Wang, M. A. Mohammad, Z. Bie, Q. Y. Xie, C. Li, W. T. Mi, Y. Yang, and T. L. Ren. A graphene-based resistive pressure sensor with record-high sensitivity in a wide pressure range [J].

Scientific reports

, 2015, 5: 8603.)

论文链接：

http://www.nature.com/articles/srep08603-references.ris

13.

晶圆级集成石墨烯器件制备方法

任天令教授团队实现了晶圆级大面积不同类型器件的集成制备，包括平面晶体管，光电探测器和扬声器。其制备的平面晶体管具有5.34的开关比，光电探测器光响应为0.32 A/W，而石墨烯扬声器在1-50 kHz具有平坦的声压输出。激光直写还原石墨烯技术在器件制备提升上表现出了低成本、快速和图形化简单的特点，在微纳传感器性能方面有优异的结果表现。

图13，晶圆级集成石墨烯器件制备方法示意图。(H. Tian, Y. Yang, D. Xie, Y. L. Cui, W. T. Mi, Y. G. Zhang, and T. L. Ren. Wafer-scale integration of graphene-based electronic, optoelectronic and electroacoustic devices [J].

Scientific reports

, 2014, 4: 3598.)

论文链接：

http://www.nature.com/articles/srep03598

喇叭界黑科技 SEAS西雅士石墨烯扬声器_HI-FI器材新闻_音响网新闻

一年一度的广州国际音响唱片展又要到来了，这一次广州歌美声电子科技有限公司将为广大发烧友们带来了挪威西雅士全新前沿黑科技――石墨烯扬声器！

挪威西雅士与欧洲顶尖的研究机构一起研发了最新的石墨烯纳米材料技术，并将该前沿技术应用于最新的产品之上。这种材料被覆盖在表层以提升音质表现并具有防腐蚀的作用。

在近三年的石墨烯黄金系列方案研发中，西雅士投入了价值百万的测试设备。该研究同时也在全球湿度较大的各地进行，例如新加坡和西班牙。

石墨烯最初于 1960 年代被发现，后由于其令人惊叹的纳米特性而在 2004 年被重新定义为神奇材料。但想要在宏观世界里应用好其特性，则必须采取正确的应用方式。用通俗的说法就是，你不能指望在扬声器的原材料里洒一些石墨烯材料就能取得性能的改善。

石墨烯材料仅能通过均匀分布在基材上加以应用，且不能有褶皱或者堆叠。因为这种情况下，它将失去其特性优势并转变为普通石墨（绰号-伪石墨烯）。

关于石墨烯的防腐蚀能力似乎具有争议，因为石墨烯材料是电的良导体，本应加速电子移动而造成基材氧化。然而事实上石墨烯粒子间良好的绝缘特性造就了其防腐特性，特别是其双层绝缘特性更展现出极佳的防腐蚀能力。

最终，将石墨烯材料从实验室带入工业应用，还需要高质量且合理的批量化生产，且不能在品质上妥协。

西雅士曾经在 1993 年研发并推出了第一款采用铸造后机制的镁盆单元，并据我们所知，西雅士至今仍然是唯一一家采用此方法进行加工并生产的厂商。

西雅士的镁盆单元因其出众的音质表现而闻名全球。这项技术的背后是其独到的生产技术，它能确保该锥盆同时具备高阻尼特性和足够的刚性。

首先，西雅士的镁锥盆是铸造的，而非常见的板材冲压成型。这种铸造模式保证了西雅士镁盆比行业内其他产品高得多的阻尼特性。其核心是，铸造成型的镁材料是含有其他元素的合金，而冲压加工采用的镁材料必须是纯度较高的镁金属，因而阻尼较低。

其次，铸造加工的模式赋予了西雅士更大的设计自由度以制造出各部位厚度不一的锥盆，例如中央部位的厚度大于边缘的厚度。尽管该锥盆以肉眼看起来更像是一个直线锥体，然而由于其厚度变化，实际上的振动表现并非是纯圆锥状的，而且表现更佳。

在铸造成型之后，振膜会经过机械加工以减少整体厚度。每只振膜都要进行称重检测，以确保尽可能小的公差，这种稳定的一致性仅能由机械加工保障。

之后每只振膜表面都要进行涂敷处理以防止其受到侵蚀，而且看起来更美观一些。

高阻尼特性的镁金属是低音单元锥盆材料的最佳选择，因其同时具备高阻尼，质量轻和声速传输快的优点，即刚性-质量比上佳。对于低音单元的锥盆而言，高阻尼特性是最重要的，即便在刚性上需要被适度妥协，因为低音扬声器振膜的第一分割频率总是落在音频范围之内。所以在这方面，没有什么材料能比得上高阻尼的镁盆。

西雅士研发部曾花费五年多及上千小时的研究以搜寻比镁金属更佳的锥盆材料，或许复合材料会是最终解决方案？但目前仍无一所获。

因此，一切回到原点，对镁锥盆技术进行改进才是首选。

镁金属的阻尼特性跨度很大，既可以具备高阻尼特性，也可能阻尼很低。这取决于其所含的合金成分。通过右侧图标可以看到：

冲压而成的纯镁金属阻尼很低，而西雅士铸造成型镁盆含有一定比例的合金，因此阻尼特性优异。

高阻尼特性的镁金属（红圈内）是图示各材料中最佳的，其刚性等同于铸铁，但质量明显轻很多。

下方圈内为陶瓷材料，中部为各种高分子材料，左上为高弹体。

上图横坐标：杨氏模量（硬度）

上图纵坐标：阻尼系数

扬声器锥盆材料的经典评判标准是刚性-质量比，并能反映出材料内部声速差异，因此越高越好。如右侧图标所示，红点标示的是镁金属：

相对于其他金属，诸如铝、钢和钛而言，镁金属没有那么硬但却是最轻的，因此声速传递特性仍然在标准之上。右图顶部圈内的材料包含了了陶瓷，钻石和铍金属。

上图纵坐标：杨氏模量（硬度）

上图横坐标：密度（质量）

扬声器行业内相对最轻且阻尼上佳的镁金属和最新的石墨烯技术相结合，提供了无与伦比的音质表现。

目前，西雅士已经研发成功的有以下几款石墨烯扬声器，分别有：

这几款扬声器都采用了经过精密铸造并机制的石墨烯纯镁锥盆，在整个工作频带内如活塞般的表现使其在中频范围内毫无谐振迹象。而钛骨架与铜包铝线绕制的长音圈一起为扬声器提供了极佳的动力传输、瞬态还原和大冲程性能。

设计阶段还使用了有限元优化分析的磁路系统与精密安置的铜部件，两者一起为扬声器提供了卓越的线性，高功率承载和极低的失真。

盆架使用了坚固和稳定的铸铝金属盆架，确保了各精密部件能完美结合。弹波上下部分的盆架都开设了通气孔以将不必要的声音反射、气流噪音和空腔谐振降至最低。

中国石墨烯器件领军人物又一力作，清华任天令团队研发石墨烯基织物，体征异常可发声提醒 - 知乎

你知道吗？石墨烯还能 “发声”！

日前，石墨烯智能可穿戴器件研究领军人物、清华大学信息科学技术学院副院长任天令团队，研发出一款会发声的石墨烯基纺织品。

图 | 石墨烯基纺织品（来源：ACS NANO）

穿戴上它之后，当心率、呼吸速率或运动频率出现异常时，即可触发衣物里的器件，随后会发出警告声，以对健康状况给出警报。

动图 |（来源：ACS NANO）

11 月 1 日，相关论文以《用于传感与驱动的石墨烯基多功能纺织品》（Graphene-Based Multifunctional Textile for Sensing and Actuating）为题发表在 ACS NANO 上。

图 | 相关论文（来源：ACS NANO）

再次将眼光投向石墨烯

传统纺织器件功能比较单一，传感器与执行器互相独立，只能从电脑或手机等设备获得反馈，比如使用运动手环时，要额外下载 App 才能查看睡眠时长等数据。之前的纺织扬声器也仅用于娱乐音乐，尚未用于医疗监控警报系统。

图 | 任天令（来源：资料图）

在任天令的设想中，理想的柔性纺织器件，应同时具备多功能集成和可兼容能力，并能直接感知机械信号及生理电信号。

多年来深耕该领域的任天令，再次将眼光投向石墨烯。在力学、电子和声学等方面，石墨烯均展现出优秀的性能，因此是制备健康探测器和声学执行器的理想材料。

（来源：ACS NANO）

基于热转印技术和激光直写技术，石墨烯纺织品可以监测人体运动和多种生理信号，还可以作为健康反馈执行器发出警报声音，还具有工业兼容、制造成本低、制备效率高等优点。

详细制造工艺如下图所示：主要包含氧化石墨烯溶液的滴涂、激光直写、氧化物剥离、热转印等过程。

图 | 详细制造工艺（来源：ACS NANO）

研究中，该团队先把氧化石墨烯混合物溶液滴涂在制备好的热转纸上，并在室温下置于通风柜中干燥一天。

随后，通过激光直写，将热转印纸上的氧化石墨烯还原为石墨烯，这时那些未还原的氧化石墨烯很容易被物理剥离。

在热转印过程中，将含有石墨烯的热转印纸，在 185℃ 下压在纺织品上 30 秒。把纸剥离后，带有热转印薄膜的激光还原石墨烯附着在织物上，便制备成了石墨烯基纺织品。激光直写不仅可以一步成形，还可以根据需要自定制设计各种图案。

图 | 多种图案的石墨烯基纺织品（来源：ACS NANO）

石墨烯被转移到纺织品后，即形成了一个由纺织品、石墨烯和热转印薄膜组成石墨烯基纺织品器件，其厚度大约为500μm，外观呈三层夹心状。

动图 | 工作中的石墨烯基纺织品（来源：ACS NANO）

任天令团队发现，基于石墨烯的热声效应，该器件还可以作为声源使用。其原理是，在石墨烯器件两端施加交流电压信号时，石墨烯可生成周期性热量，传递到空气之后，可让空气产生周期性压缩和膨胀，从而发出声音。

当器件与解码器和功率放大器组成的声音发射电路连接时，即可发出声音。一旦石墨烯织物检测到不健康信号时，即可产生连续报警声。即使被手触摸，也可稳定发出连续性声音。

（来源：ACS NANO）

最快响应时间仅需 85 毫秒

为验证器件优异性能，该团队进行了相关测试。发现在拉伸时，器件开始形成微裂纹，但石墨烯之间仍存在良好连接，因此电阻仅略有变化。在裂纹开始延展的阶段，多层石墨烯块之间的连接会被打断，这时电阻就会显著增加。

其中，裂纹延展过程中，测得其拉力的决定系数 R² 为 0.993。此外，在 1% - 3% 的不同应变条件下，分别做了测试，证明其仍具备优异的线性性能。

图 | 传感器线性度对比（来源：ACS NANO）

要想保证信号检测的可靠性和稳定性，传感器的独立频率特性十分重要。在 1000 个拉伸周期下，器件顺利通过寿命测试，且电阻基本稳定在 85 ~ 88Ω 之间，可见其耐久性优秀。

实际应用中，用户每天会面临各种场景，其中一些涉及到给纺织品施加压力，比如躺、坐和休息。因此，对于纺织传感器来说，要保证它在有压力负载下仍能正常工作。

在加载压力过程中，石墨烯基纺织品的响应时间约为 85ms，在卸载压力过程中约为101ms。在 0.2Hz、0.4Hz、0.8Hz 和 1.6Hz 的不同按压频率下，均具有较好的稳定性。

除了优异的线性度外，石墨烯基纺织品在记忆效应方面也表现出良好的性能。对于无记忆传感器，输出信号 y（t）由当前输入 x（t）决定，而实际传感器中存在记忆效应和非线性。在存在记忆效应的情况下，y（t）由当前输入和所有先前输入共同决定，导致相同输入的不同输出。

有趣的是，由于记忆效应，细窄的输入-输出曲线变得更宽，这可以由曲线的厚度（W）估计。对比有记忆的器件的输入-输出曲线，石墨烯基纺织品的曲线要窄得多，这意味着之前的输入对当前输出的影响很小，验证了其在记忆效应方面的卓越可靠性。

为进一步研究激光功率与激光还原石墨烯厚度的关系，该团队分别在 3.7mW、4.9mW 和 5.8mW 的不同激光功率下制备出了 3 个厚度分别为 19.43μm、24.79μm 和 33.20μm 的样品。

（来源：ACS NANO）

在不同输入功率和测量距离下，任天令团队也做了测试。结果表明，输出声压与输入功率成正比，与测量距离成反比。该团队此前研究表明，对激光直写石墨烯来说，快速的激光切割速度、低导热性衬底和大面积均不可缺。

具体来说，当激光直写速度较快时，更易制备出较薄的石墨烯器件，并向空气中释放更多的焦耳热量，从而产生更高的声压。

在声发射的测试中，他们还观察到较低的激光功率、较薄的激光还原石墨烯厚度、较高的输入功率、较短测量距离，均有利于提高输出性能。

下图显示了在不同输入功率下，石墨烯基纺织品产生声音时的温度。当输入功率从 0 增加到 0.167W，设备最高温度可从 27.4℃ 增加到 30.5℃，不会给人体皮肤带来任何不适。

图 | 在不同输入功率下，石墨烯基纺织品产生声音时的温度（来源：ACS NANO）

哭泣、眨眼等信号也可被捕捉，洗涤后性能几乎未下降

在检测运动和生理信号时，石墨烯基纺织品测试的图像如下。其中，脉搏的三个典型的脉冲波即 P 波、T 波和 D 波均清晰可见。

当肘部、手腕、五指、膝盖和头部等运动时，传感器可反馈出相应的弯曲应变信号，甚至哭泣、眨眼等面部情绪带来的信号变化，也可被传感器及时捕获。

图 | 信号图像（来源：ACS NANO）

为进一步验证石墨烯基纺织品在被洗涤后的稳定性，该团队将石墨烯基纺织品浸在去离子水中，并加入洗涤剂。洗涤过程如下图所示，可以看到它在水中没有褪色或分离。

图 | 洗涤中没有褪色或分离（来源：ACS NANO）

相反，在洗涤之后，其应变性能反而有所提高，这是因为洗涤后的石墨烯和纺织品的纤维贴合更加紧密。

在将石墨烯基纺织品用作拉伸应变传感器时，团队对其性能进行了测试表征。结果表明，石墨烯基织物在拉力和压力传感方面都具有极高的线性度；决定系数分别达到了 99.3% 和 98.2%。该器件在高达 1000kPa 的压力下仍能保持稳定的性能。

在 4.2Pa 的微小压力下，石墨烯基织物的响应时间低至 85 毫秒。其作为压力传感器时展示出了线性度好、耐压高、响应速度快、拥有独立频率特性、耐用性良好等力学特性，极大地拓展了二维材料在压力传感器中的应用前景。

真正做到为健康 “发声”

佩戴石墨烯基纺织品用作心电信号检测时，在前胸放置两个传感器，并在两个传感器之间放置一个参考电传感器。从三个传感器采集到的信号被放大后可通过心电电路传输处理。最后，用户的实时心电图即可显示在电脑屏幕上。当用户心电异常时，石墨烯基纺织品可用作执行器，发出特定声音作为预警。

在后续成果落地上，任天令说，“我们正在面向实用化场景需求进行智能衣物的产品化设计，同时也将探讨和国内外的衣物公司进行合作，进行健康监测智能衣物的未来市场布局。”

谈及未来，任天令表示用智能衣物进行对人体健康实时监控，并能做出健康状况预警具有十分重要的意义。柔性电子技术是解决医疗行业痛点的利器，柔性产品的使用可以改变医疗服务的现状，随时随地对用户进行测量。

基于智能健康监测衣物将获得精准的数据，并实现智能大数据辅助判断。其非接触的方式，可以有效帮助医护人员、社区工作人员远程掌握用户的身体状况。未来健康监测衣物将更加多功能化、智能化，可广泛用于家庭医疗、运动爱好者、老年看护等领域。

-End-

应用技术大公开系列Q之廿三：(声频).石墨烯扬声器振膜的制备工艺 (*3-1) - 知乎

2019-02-11

振膜是耳机的发声单元，振膜的素质决定耳机的整体素质。由于没有既薄又坚固的材质，无论如何改良电信号转化为声信号的损耗率，耳机扬声器振膜震动时都会不断失真。原因在于薄膜震动，将声音传入耳朵。薄膜越轻越薄，就越不坚固，震动过程中容易导致薄膜自身“变形”震动，导致声音“失真”。在设计上希望既能有高强度，又具有高电声效率，且具有良好的频率响应特性。相较于传统的扬声器利用电信号控制电磁铁和永磁铁之间的吸斥作用，并带动振膜发出声音，石墨烯耳机以石墨烯薄膜的热波动带动空气震动来发出声音，有效地减弱振膜的分割振动，降低失真效果。坚韧与轻便特质导致了石墨烯的阻尼系数 (放大器的额定负载，也就是扬声器阻抗与功率放大器实际阻抗的比值) 非常好，换言之，它可以减少“假振”。从声学上来说，配有石墨烯振膜的耳机能让听到的声音更流畅，更广泛，让听者感觉到丰富的听觉体验更流畅，且更加具有立体感。

工艺

CN1074545440A

一种基于石墨烯和聚醚酰亚胺的扬声器振膜制备方法提到，是将高分子聚合物聚醚酰亚胺作为基材，通过高湿熔合法掺杂石墨烯，具体的制备方式如下：

1).

将石墨烯材料分散于乙二醇中，再将聚醚酰亚胺在高温条件下熔化成

PEI

溶液；

2). 将石墨烯／乙二醇溶液加入

PEI

溶液后充分搅拌混合，在高温条件下乙二醇分解挥发，最后形成

PEI

／石墨烯混合浆料；

3). PEI

／石墨烯混合浆料浇注入振膜模具中，采用自然固化取得石墨烯振膜；

4).

将石墨烯振膜以高压压制形成复合扬声器振膜。

Ref.:

石墨烯扬声器让你的耳朵享受听觉盛宴！ - 材料牛

材料牛注：

石墨烯自从问世之后，由于其具有很多优异性质，引得科学家们对其进行探索，掀起了一股研究热潮。近日，韩国科学家将其应用在扬声器上，效果得到大幅度提升，这样的扬声器你想不想要一个呢？

韩国科学技术学院的电气工程学院的Jung-Woo Choi、Byung Jin Cho两位教授联合材料科学与工程学院的Sang Ouk Kim教授共同研究出了一种简单方法可以批量生产超薄型石墨烯热声扬声器。

他们的研究结果于2016年8月17日发表在

Applied Materials & Interfaces

上，由美国电气工程师协会出版的月刊

The IEEE Spectrum

也于2016年9月9日对此项研究进行了题为“基于石墨烯扬声器的音频系统”的报道，

The American Chemical Society

也对他们研究小组的成果感兴趣，并对此发表了“石墨烯扬声器进入移动电子产品市场”的文章。

热声扬声器内部安装了可以快速制冷和传热的材料，从而造成温度波动，发出声音。和常规的线圈扬声器不同于是，这种扬声器不依赖于振动产生声音，因此就不需要庞大的声音元器件进行机械振动，产生声音。更棒的是，这种热声扬声器在任何方位的音质都非常好，所以把它放在任何形状的物体表面上都不会产生消音。

基于两步无模版剂的合成方法，再加上冷冻干燥氧化石墨烯，使其变成片层状，增加/减少氧化量来提高导电性能。通过上述步骤，该研究团队生产出一种三维 N 型掺杂且仅含少量氧化石墨烯的气凝胶 (N-rGOA) 具有宏观多孔结构，这种结构经过简单调整过后，具有很多潜在应用。

利用石墨烯气凝胶材料，该小组已经成功制造出能够承受超过40W输入功率的扬声器，且具有堪称完美的声压级，可以和之前报道的2D、3D石墨烯扬声器相媲美。

韩国科学技术学院的博士研究生Choong Sun Kim是该研究成果的第一作者，他说道：“热声扬声器内部的导电材料热容越小，效率越高。像石墨烯这样的纳米材料就是理想的导体，由于石墨烯太薄，需要衬底来支撑它们。然而衬底有造成热量损失的趋势，使扬声器的效率降低。我们制备的三维石墨烯气凝胶就不需要衬底，且合成方法简单，仅需两步即可完成。通过这种三维石墨烯气凝胶就可以做出表现稳定、性能优异的扬声器。这项实用的技术可以使得热声扬声器进行大规模生产。”

原文链接：

Extremely Thin and Highly Flexible Graphene-based Thermoacoustic Speakers

文献链接：

Application of N-Doped Three-Dimensional Reduced Graphene Oxide Aerogel to Thin Film Loudspeaker

本文由材料人编辑部杨树提供素材，陈露编译，

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石墨烯开始“发声”，有望颠覆全球音频和电信行业

原标题：石墨烯开始“发声”，有望颠覆全球音频和电信行业

该新型扬声器可以将扬声器，放大器和均衡器混合在一起，所有这些器件被集成在只有毫米尺寸的设备内

奇迹材料石墨烯“发声”的开创性新技术可能会彻底改变全球音频和电信行业。你能找到的几乎每款扬声器里，都有一层膜用于机械震动，通过震动空气产生声波。但英国埃克塞特大学的研究人员竟然研发出一款扬声器，不需要靠振动发出声音。此项颇具开创性技术的关键，就是石墨烯，通过细微调整过的电流加热或冷却这种材质，就可以制造声波。

石墨烯又轻又薄，却极其强韧，几年前就有人想到用它来造扬声器了，但通常都是用石墨烯制作上文提到的那层膜。因为石墨烯很轻，所以用很小的能量就能产生振动，因此扬声器可以变得又小又节能。

埃克塞特大学的研究人员设计了一种开创性的方法来使用石墨烯来产生复杂和可控的声音信号。实质上，它将扬声器，放大器和均衡器组合成为一个只有指甲盖大小的芯片。

传统的扬声器利用运动的线圈或膜片来回驱动空气，空气的机械振动产生声音，这是一项非常成熟的技术，在一个多世纪以来几乎没有颠覆性的改变。而这种创新的新技术将不再有需要机械振动的部件，

核心部件是只有一个原子厚度的材料石墨烯薄膜，由于输入电流的大小，石墨烯薄膜被快速加热和冷却产生了膨胀和收缩，引起周围空气振动从而产生声波。

那无需机械震动的扬声器音质怎么样呢？研发团队称，通过仔细调节电流穿过石墨烯的强度和位置，可以制造多种多样的声波。这种加热、冷却的循环往复，能让扬声器同时混合、放大、均衡多种声波，输出的声波甚至能超出人类听觉响应范围，应用于超声领域。

而这就是热量转化为声能的能量转化，这在科学界并不是新鲜事。不过，埃克塞特大学的研究团队却是第一个在热-声转化过程中实现不同频率声波的叠加、放大以及均衡。更加难得的是，所有的这一切都发生在这样一个指甲盖大小的芯片里。

石墨烯几乎完全透明，无需身体运动就能产生复杂的声音，可以开创新一代视听技术，我们可以甚至展望可以传输图像同时发出声音的手机屏幕。

此项研究的第一作者David Horsell认为，过去人们不够重视热声学，因为不知道它有什么实际用途，他们的团队则将关注点放在了声音产生的过程上。他们

发现通过控制穿过石墨烯的电流，不仅能制造声音，还能调节音量大小，并精确控制频率。这种精确的控制为研究人员开启了新大门，

发现了诸多我们未曾设想过的应用途径。

该团队正在研究将该项技术应用于超声成像，能用于医院以及其他医疗机构。对于新技术的应用，霍西尔博士表示：“其实发出声音是一部分，而将不同频率的声波混合在一起是更加关键的一步。对于高效地产生超声波或者次声波也是很重要的。

石墨烯由于具备高强度和柔韧性，可以与被成像体表面充分接触从而实现更好的成像效果。此外，该团队设计的声学设备低成本而且非常简单，使得未来可以直接监视和治疗病人的智能绷带这样的概念产品具有真正实现的可能。

霍斯尔博士补充说：“混频是新应用的关键，声发生机制使我们可以采用两种或更多种不同的声源，并将它们叠加，从而有效地产生超声波（和次声波），但最令人兴奋的是，这是一个非常简单和可控制的技术，这可能对电信行业产生真正的影响，电信行业需要以这种方式组合信号，但目前使用的方式相当复杂而昂贵。

石墨烯扬声器研究进展：

之前有很多相关研究已经证明，基于石墨烯的热声扬声器是可行的，但是Exeter研究人员首先在毫米级的设备上嵌入这样的扬声器、放大器和、均衡器。

使用石墨烯驱动扬声器膜是一个有趣的研究领域。最早的报告是2011年，韩国的研究人员开发了一个由石墨烯制成的透明扬声器。 2013年，研究人员展示了一款基于石墨烯的扬声器，可以超越最好的商用耳机。

最近几家公司发布了石墨烯增强型耳机。例如，小米的活塞3 Pro耳机就像使用菲利浦电子F3一样使用石墨烯膜。

以色列音频先驱Waves Audio正在使用基于石墨烯的纳米级活性膜开发创新的静电扬声器。石墨烯增强型音频设备开发公司ORA是加拿大的早期创业公司，最近公布了其石墨烯氧化物复合材料，被称为石墨烯Q。

昨天也就是2017年5月7日，苹果公司一项关于石墨烯扬声器的准备被授予。 Apple的专利（2015年提交并于2017年初授予）详细介绍了使用由石墨烯增强复合材料制成的隔膜的音频设备。苹果的石墨烯膜可用于扬声器，麦克风或耳机设备，该专利具体包括iPhone设备的图像作为示例应用。

苹果解释说，随着设备变得越来越小，使用常规材料提供高质量音频越来越具有挑战性，石墨烯可以改善音频设备的机械响应。此外，在某些情况下，使用石墨烯或石墨烯薄片材料可以减少或消除额外的外部阻尼的需要。

这里的主要发明似乎是膜本身由两种类型的材料制成，这两种材料与所使用的石墨烯薄片的量不同，因此硬度不同。膜的第一部分是固定的，而第二部分是灵敏的，用于检测或产生声音。

文献信息：

M. S. Heath et al, Multi-frequency sound production and mixing in graphene,

Scientific Reports

(2017). DOI: 10.1038/s41598-017-01467

Journal reference:

Scientific Reports

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他们的研究结果于2016年8月17日发表在Applied Materials & Interfaces上，由美国电气工程师协会出版的月刊The IEEE Spectrum也于2016年9月9日对此项研究进行了题为“基于石墨烯扬声器的音频系统”的报道，The American Chemical Society也对他们研究小组的成果感兴趣，并对此发表了“石墨烯扬声器进入移动电子产品市场”的文章。

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文献链接：

Application of N-Doped Three-Dimensional Reduced Graphene Oxide Aerogel to Thin Film Loudspeaker

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石墨烯作用

作用一：防锈

由于石墨烯不会溶于水，因此可以混合聚合物用于防锈涂层。

石墨烯不溶于水加上超高导电性，如果与钢结合的话，就可以防止钢接触到水并缓解氧化铁的电化学反应。达到更好的防锈。

作用二：超级电容

有望淘汰掉电子产品中的电池。

众所周知电容是可以存储电能的，比如相机的闪光灯就是依靠它提供能量。但是单位质量的电容所存储的电能有限，这个时候就要用电池了。然后石墨烯电容可以存储更多的能量，还可以有更多的充放电次数。完全可以不用电池提供能量了。

作用三：柔性电子线路

使电脑的运算速度提高50倍。

现在的电脑芯片，最重要的材料是硅。而石墨烯比硅具有更好的导电性能，它可以用更少的电力，产生更小的热量，甚至都可以淘汰掉冷却风扇，而且速度还可以提高50倍。

作用四：扬声器

这种扬声器的发声原理是石墨烯通过传输电流产生的热能发声。

如果将厚度不足一纳米的一层石墨烯放于玻璃以及两种塑料上(两种不同类型)，然后施加交流电，就能听到声音了。这种扬声器不是通过隔膜振动，而是通过石墨烯运输电流发声，最大的优势就在于薄以及柔韧性，可以做成任何形状。

作用五：水净化

利用石墨烯强大的吸附能力，可有效治理水污染。

石墨烯滤芯可以过滤掉泥沙、重金属、化学物残留，同时杀菌率可达90%以上，过滤出的水甘甜可口，使用寿命比活性炭更久，解决了频繁更换滤芯的麻烦。

作用六：夜视

专业的夜视设备，将有望更轻便，方便携带。

如果是用石墨烯的底片，并且在此底片上添加硫化铅晶体，结果就是夜视设备将更灵敏，更具有柔韧性。这样的话，就可以制造出更薄更方便携带的夜视镜。

作用七：探测爆炸物

对于低浓度爆炸物，可用石墨烯泡沫来探测。

这个原理主要是由于石墨烯泡沫能够探测到低浓度的硝酸盐和氨。只要把这个探测器做成电话卡一样的大小就可以了。

作用八：防弹背心

从此警察叔叔的安全系数又高了一个级别。

现在大部分的防弹衣是用凯夫拉纤维制成的。而用石墨烯和碳纳米管复合纤维制成的超强纤维比凯夫拉纤维更有效果。我国就是一个防弹衣出口大国

作用九：面膜

清洁与补水合二为一

生物质石墨烯基布面膜取材绿色环保，来自玉米芯，深度清洁面部污垢和彩妆残留，精华液吸收更为彻底。由于石墨烯本身的杀菌抑菌特点，可避免肌肤刺激过敏等问题。

探索化学化工未来世界：石墨烯_哔哩哔哩_bilibili

《石墨烯》短片描述了人类文明的发展与使用材料的进步是齐头并进的。21世纪初，石墨烯的发现为人们打开了新材料时代的崭新大门。石墨烯是由与铅笔芯成分一样的碳元素构成，只有一个原子层厚度，但却拥有其它材料所无法比拟的众多优势和性能，被誉为新材料之王，短短数年已在全球范围内引发了一场研究热潮和技术革命。石墨烯为什么能被寄予如此高的期望？它将如何改造我们的世界，带领我们迈向下一个发展阶段？短片及文章为大家讲述石墨烯的前世、今生和未来，解读石墨烯的发现历史、特殊性质、制备技术和应用前景。

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专题｜清华大学任天令教授团队 石墨烯器件研究进展 - 材料牛

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