在声波发生器、接收器到纳米机电系统（ NEMS ）等一系列器件中，纳米级厚度的自由悬浮机电膜是其核心。机电膜中的轻质材料可降低能耗，提高机械和电能效率。
单层石墨烯因其重量轻、导电率高、机械强度高，在轻质膜中具有广阔应用前景。这种最强二维材料，可通过机电驱动产生高声压（ SPL ），有利于声学应用。然而，单层石墨烯（ SLG ）由于存在缺陷的碳 - 碳键而无法大面积制备。除此之外，多层石墨烯膜的光学透明度有限，不适合用作透明电极。因而聚合物 / 石墨烯膜具有极大的吸引力，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。这一点极大限制其发展超薄、大面积、大长径比、机械性能强的高声压薄膜。
【研究成果】
近日，美国弗吉尼亚理工大学的刘国良课题组联合以色列Waves Audio公司Gabriel Zeltzer以及以色列巴伊兰大学的Doron Naveh课题组利用厚度仅350 nm的聚醚酰亚胺（PI）超薄聚合物薄膜来增强单层石墨烯（SLG），使其大面积自由悬浮，并实现了高强度、导电、自由悬浮的双层复合材料。此外，该复合材料具有前所未有的长厚比（≈100000）。在机电驱动下，薄膜推动大量空气并产生高质量声音。其能效比目前最先进的电动扬声器高10-100倍。双层膜的导电性、机械强度及光学透明性等综合性能将促进其在电子、机械和光学领域的应用。该工作以题为 “Mutually Reinforced Polymer–GrapheneBilayer Membranes for Energy-Efficient Acoustic Transduction” 的论文发表于国际重要期刊Advanced Materials上。
【复合薄膜的制备】
图1 PI/SLG复合薄膜的制备。
作者首先采用化学气相沉积法（ CVD ）在铜箔上生长单层石墨烯（ SLG ）。由于铜箔在石墨烯生长之前未进行任何特殊处理，由此制备的 SLG 由于晶界存在致使其不能大面积自由悬浮。为了解决上述问题，作者在 SLG 上旋涂一层厚约 350 nm 的聚酰亚胺（ PI ）以形成双层复合结构。选择 PI 是基于其高弹性、优异的热稳定性和高玻璃化转变温度。尽管大块 PI 具有较强的机械强度（杨氏模量 ≈3.2 GPa ），大面积悬浮 ≈350 nm 厚的 PI 薄膜几乎是不可能的，且膜易开裂。然而，通过组合两个材料层，可将膜粘合到空心刚性框架上并移除铜基板来获得高度透明的自支撑 PI/SLG 膜。
【机电驱动性能】
图2 PI/SLG膜的静态机电驱动性能。
膜的张力、表面电荷以及表面电导率对于电声声压发生器的应用是至关重要的。为此，作者们将 350 nm 厚的 PI/SLG 膜张支撑在直径 25 mm 的石英框架上，使膜与穿孔金属电极之间的 260 μm 间隙内产生静电。弹性 PI/SLG 膜和刚性金属电极形成了由高压放大器驱动、极板距离可变的双板电容器。此外，作者们还利用激光多普勒测振仪（ LDV ）测量了振动时薄膜表面速度和不同点的位置，绘制了垂直于膜平面的速度等值线图。根据 v = （ T/σ ） 0.5 ，使用表面波的速度来估算膜中的张力（ T ）。假设表面质量密度 σ=1.4 g m−2 ，则产生的张力为 5.5 N m−1 。
【振动模式】
图3 实验和模拟的共振频率和振动模式。
快速傅里叶变换激励法测量了薄膜的频域特性。 LDV 扫描图显示了膜上每个网格点在特定频率下的速度，其中红色和蓝色分别对应于平面外和平面内的速率。为了进一步说明空气阻力对薄膜振动的影响，计算出真空中的基频 f 0,1 为 1925 Hz ，实测动态频率为 422 Hz 。由于空气中的频率大约比真空中低 4.5 倍，所以薄膜推动了大量空气。 PI/SLG 膜在空气中的振动类似于水下一张薄纸的振动，其中被置换介质的质量相当于或大于膜本身。因此，能量大部分被传输到介质中而非被膜自己消耗，进一步证明PI/SLG膜是一种很有潜力的声学发生器。
【机电性能】
图4 PI/SLG膜在静电扬声器中的机电性能。
为比较 PI/SLG 膜在静电扬声器中的机电性能，作者使用了一个普通智能手机的电动微型扬声器（ EDMS ），并测试了其性能。由于 PI/SLG 膜具有极低的重量和超高的长径比，因此具有优越的电声效率。静电驱动后， PI/SLG 扬声器的声压级（ SPL ）在大多数频率下与 EDMS 相当，在某些范围内声压级更高。在 1.4–5.0 kHz 时， PI/SLG 扬声器的声压平均比 EDMS 高 7.7 dB 。在 10 kHz 的高频下， PI/SLG 扬声器消耗的能量约为 EDMS 所需能量的十分之一。PI/SLG扬声器的能量消耗随着频率的降低而不断下降，而EDMS的能耗几乎保持不变。
【研究小结】
本工作展示出利用单原子层厚的 SLG 与高性能聚合物形成复合薄膜，对于开发轻量化、透明的、可大面积悬浮，并应用于静电声扬声器领域的必不可少的关键部件。重要的是，作者证明了 SLG 和 PI 都不能单独用于制备大面积的自支撑膜，需要依赖这两种成分的协同集成。其灵活的透明导电特性有望扩展到其他电光应用领域，如发光器件、光伏、显示器、触摸屏和其他纳米 / 微型机电系统。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202004053
来源：高分子科学前沿
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