清華新聞網3月1日電 2月24日，清華大學微電子所任天令教授課題組在《自然通訊》（Nature Communications）上發表了題為《具有聲音感知能力的智能石墨烯人工喉》（“An Intelligent Artificial Throat with Sound-Sensing Ability Based on Laser Induced Graphene”）的研究論文，該新型智能器件具有聲音收發一體化的特點，既能接收聲音，又可以發射聲音，并且具有良好的生物兼容性，貼附在聾啞人喉部便可以輔助聾啞人“開口說話”。該器件是石墨烯在可穿戴領域的全新應用，并有望在生物醫療、語音識別等領域產生重要影響。

 

聲學器件主要包括發聲器件和收聲器件。研究收發一體化的聲學器件并應用到柔性可穿戴領域具有重要研究價值， 工作在可聽域（20Hz - 20kHz）的傳統發聲與收聲器件通常是分立器件，單器件無法同時實現發聲與收聲。除此之外，傳統的聲學器件不具備柔韌性，故不適用于柔性可穿戴應用，另一方面柔性可穿戴領域近些年來蓬勃發展，柔性顯示器、傳感器均獲得了較大突破，為了實現一整套柔性電子信息系統，有必要研究集成的柔性聲學器件。

 

任天令教授課題組創新性地提出了一種收發同體的集成聲學器件，能夠基于石墨烯的熱聲效應發射聲音，并利用石墨烯的壓阻效應來接收聲音，從而巧妙的實現了單器件的聲音收發同體。在器件制備工藝上采用了獨特的激光直寫技術，能夠直接將成本低廉的大面積聚酰亞胺薄膜快速轉化為圖形化的多孔石墨烯材料。該多孔石墨烯材料一方面具有高熱導率和低熱容率，能夠通過熱聲效應發出100Hz-40kHz的寬頻譜聲音；另一方面多孔結構對壓力極為敏感，能夠感知發聲時喉嚨處的微弱振動，可以通過壓阻效應接收聲音信號，從而實現了單器件聲音收發一體化集成。因此，可以基于該器件感知聾啞人的低吟等特殊聲音，并將這種“無含義聲音”轉換為頻率、強度可控的聲音，從而有望幫助聾啞人“開口說話”。

 

近年來，任天令教授致力于石墨烯器件的基礎研究和實用化應用的探索，尤其關注研究突破傳統器件限制的新型微納電子器件，為新一代微納電子器件技術奠定基礎，在新型石墨烯聲學器件和各類傳感器件方面已獲得了多項創新成果，如柔性石墨烯發聲器件，新型石墨烯阻變存儲器，光譜可調的石墨烯發光器件，石墨烯仿生突觸器件，可調石墨烯應力傳感器等，相關成果曾多次發表于《自然通訊》（Nature Communications）《先進材料》（Advanced Materials）《納米快報》（Nano Letters）《美國化學學會納米》（ACS Nano）國際電子器件大會（IEDM）等。

 

清華大學微納電子系博士生陶璐琪和微納電子系2015年博士畢業生田禾（現為南加州大學博士后）是文章的共同第一作者，清華大學微電子所任天令教授和楊軼副教授是論文的通訊作者。該研究成果得到了國家自然基金重點項目和科技部項目的支持。

 

論文鏈接：//www.nature.com/articles/ncomms14579

 

                                                                                                                     供稿：微電子所 編輯：徐靜