华中科大牛广达教授Nature子刊：钙钛矿在光声换能器成功应用！

编辑推荐：铅卤化物钙钛矿在光电领域中得到广泛的研究，然而该类材料的热性能却很少被研究。本文作者展示了钙钛矿在光声换能器中的成功应用。

卤化铅钙钛矿在太阳能电池、LEDs和探测器中表现出优异的性能。钙钛矿的热性能，如热容量和热导率，很少被研究，相应的器件也几乎没有被探索过。来自华中科技大学的牛广达教授结合卤化铅钙钛矿材料的高吸收系数、低比热容和小热扩散系数等优异的性能将其应用于光声换能器中。理论计算的声子谱表明，光学声子和声学声子的重叠导致声学声子的上转换，从而导致实验测量的低热扩散系数。PDMS/MAPbI₃/PDMS的组装器件同时实现了宽带宽（−6 dB带宽：40.8 MHz；中心频率29.2 MHz）和高转换效率（2.97 × 10⁻²），而所有这些参数都是光声换能器的记录值。还通过将钙钛矿薄膜组装到纤维上来制造微型器件，并清楚地解析了鱼眼的精细结构，这证明了基于钙钛矿的光声换能器在超声成像方面的强大竞争力。相关论文以题为“Lead halide perovskite for efficient optoacoustic conversion and application toward high-resolution ultrasound imaging”发表在Nature Communications期刊上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23788-4

卤化铅钙钛矿由于吸收系数大、缺陷密度低、载流子寿命长和制造工艺方便，最近成为有吸引力的光电半导体材料。这些特性有利于太阳能电池、发光二极管、光电探测器和辐射探测器的优异器件性能。基于钙钛矿的太阳能电池已获得认证的25.2%的功率转换效率，接近单晶硅太阳能电池。卤化铅钙钛矿的另一个非凡的特性是热性能，例如低导热率和小比热容，尽管有潜在的应用，但受到的关注有限。Pisoni及其同事报告说CH₃NH₃PbI₃的低热导率为0.5 W m^-1 K^-1。最近的研究发现，金属卤化物钙钛矿中存在光声子和声声子的强耦合，强耦合使声子向上跃迁，而声子负责热传输。上述行为导致声学声子寿命短（皮秒），对应于纳米平均自由程并表明声学声子无法有效散热。钙钛矿导热系数小，比热容低(2962 J kg⁻¹ K⁻¹)，吸收系数高(10⁴ — 10⁵ cm⁻¹)，是应用于光声转换器的关键特征，然而目前尚无报道。

光声换能器可以提供超声脉冲，具有广泛的应用，从生物医学成像、治疗性消融、大脑调制到无损检测。与传统压电超声换能器（大量布线和电磁干扰）相比，光声换能器利用激光代替电力作为驱动源，避免了电子元件组装的复杂性，光纤发射器甚至允许介入心脏病学应用。光声换能器依赖于复合材料，一个负责光吸收，另一个负责热膨胀，其中聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其高热膨胀（β = 0.92 × 10^‒3 K^‒1）和光学透明度而专门用作热膨胀层，这使得可以使用可见激光进行激发，并使用类似于水的声阻抗来减少界面上的超声损耗。在光吸收方面，碳材料，包括蜡烛烟尘颗粒、碳纳米管（CNTs）和碳纳米纤维，由于吸收系数大和热容量低而被广泛使用。最先进的光声换能器利用碳纳米管和PDMS的复合材料，实现了‒6 dB带宽为39.8 MHz，峰值频率为28.5 MHz，超声峰峰值幅度为~2.72 MPa。上述声压和带宽仍落后于传统压电转换器。因此，光声换能器的主要挑战是同时实现宽带宽和高声压，这是高分辨率超声成像的两个决定性标准。

图 1. 基于钙钛矿的光声换能器。a 光声换能器和表征系统的示意图。b 声场的模拟分布。c 实验测量的光声换能器的声波（黑色曲线）和频谱（红色曲线）。

图 2. MAPbI₃的热性能分析。a 光声换能器的机制。b 测量的钙钛矿和其他代表性吸收剂的比热容。c 测量的不同光吸收材料的热扩散系数。d MAPbI₃内发热过程的示意图。e MAPbI₃的计算声子谱。f 声子谱的态密度。

图3. PDMS层厚度对波传播的影响。a 光声信号传播的示意图。b 随着PDMS II层厚度的变化，声压的理论（虚线）和实验（实线）结果。c 不同光强下的光声压幅值。

图 4.基于光纤的光声换能器。a 回波信号检测示意图。b 在不同位置被玻璃反射的测量回波信号。c 全光超声成像系统。d 用于鱼眼成像的激光产生的超声波。

总之，作者证明了卤化铅钙钛矿和PDMS的组合产生了具有宽带宽(40.8 MHz)、大声压（峰峰值：24.89 MPa）和高转换效率（2.97 × 10⁻²）的出色光声换能器。这种良好的性能得益于MAPbI₃的大吸收系数、低比热容(~308 J kg^‒1 K^‒1) 和低热扩散系数。从理论上验证了有机阳离子相关的光声子和无机骨架相关的声学声子的重叠是低热导率的起源。此外，钙钛矿薄膜在小纤维上的方便制造使得可以使用光声换能器作为小型化超声源，并实现鱼眼的高分辨率超声成像。这项工作展示了一个令人鼓舞的案例，即利用金属卤化物钙钛矿的独特热相关特性。还为设计高效的光声换能器提供了范例，并使该技术更接近实际应用，包括生物医学成像、治疗消融和大脑调制。（文：无计）