纳米级厚、大面积氧化石墨烯薄膜如何实现液体中的高性能声音探测？

开发高精度、高灵敏度、高鲁棒性的光学探测系统是新兴技术行业迫切需要的。液体中的高性能声音探测是传感技术的一个重要研究方向。这些探测器用于海洋或其它液体环境，例如强酸和强碱溶液以及变压器油，以监听水下声音。

据麦姆斯咨询报道，近日，慕尼黑工业大学（Technical University of Munich）和重庆大学（Chongqing University）的研究人员联合在Advanced Engineering Materials期刊上发表了以“High-Performance Sound Detection of Nanoscale-Thick and Large-Area Graphene Oxide Films in Liquids”为题的文章。文中介绍了通过一种简单方法制造的纳米级厚、大面积氧化石墨烯（GO）薄膜，实现了液体中的高性能声音探测。由振动直径约为4.4 mm的GO薄膜和单模光纤（SMF）组成的法布里-珀罗（F-P）腔被用作传感核心，实现了液体中声音的探测。这项研究为快速开发用于不同液体中高性能声音探测的传感器提供了可能性。

在这项工作中，研究人员提出了一种省时、高效、厚度可控的液体沉淀法制备GO薄膜的工艺。下图显示了利用铜箔制备GO薄膜的工艺流程。所制备的GO薄膜表面在宏观尺度上可以被认为是相当平坦的，并且没有明显的缺陷（粗糙度：4.777 nm），这对于传感探头的制备非常重要。最终研究人员获得了厚度约为100 nm、振动直径约为4.4 mm的GO传感膜。与之前的研究相比，这种振动直径约为4.4 mm的GO传感膜面积更大。

GO薄膜和传感探头的制造工艺流程

由于石英管的最小内径为2.76 mm，所以利用位移台将直径为2.5 mm的带有陶瓷套圈的SMF插入带有GO膜的石英管中。由GO膜和SMF端面组成的F-P腔的长度调整为约45 μm。使用紫外线（UV）粘合剂将石英管和陶瓷套圈粘合在一起，以获得传感探头。由支撑套管和透声套管组成的透声帽用于保护GO传感膜，以抵抗液体压力，从而实现长期稳定性。

基于由GO膜和SMF端面组成的F-P腔的传感探头

随后，研究人员为传感探头的性能测试搭建了测试平台。液体环境用超纯水模拟。该平台由传感系统、激励系统和参考系统组成。传感系统包括可调谐激光器、示波器、环行器、光电探测器、SMF和传感探头。两个GO薄膜厚度分别约为100 nm和200 nm的传感探头被浸入超纯水中进行性能测试。测试结果表明，两个传感探头对不同水平的声音信号都具有线性声压响应，它们在1 kHz下的灵敏度分别为619.7 mV/Pa和79.68 mV/Pa；两个传感探头对1-100 kHz范围内的声音信号有相当平坦的频率响应；此外，两个传感探头对来自不同方向的声音信号具有一致的方向响应，其在1-100 kHz范围内所有方向上的灵敏度分别约为630 mV/Pa和84 mV/Pa。

传感探头的性能测试平台

两个GO薄膜厚度分别约为100 nm和200 nm的传感探头的性能测试结果

总而言之，研究人员展示了纳米级厚、大面积的GO薄膜在液体中的高性能声音探测。利用一种简单可控的方法制备了纳米级厚、大面积的GO薄膜。振动直径约为4.4 mm的GO薄膜和SMF构成传感探头的F-P腔，在入射光波长约为1545.06 nm的条件下，其长度约为45 μm。将由不锈钢材料制成的支撑套管和具有声音传输功能的聚氨酯弹性体制成的透声套管组成的透声帽放置在传感探头上以抵抗液体压力，因此，这种GO传感膜可以长时间稳定工作。将两个GO膜厚度分别约为100nm和200nm的传感探头浸入超纯水中进行性能测试。测试结果表明，两个传感探头都保持了线性声压响应，在1 -100 kHz的范围内均具有平坦的频率响应和一致的方向响应。此外，两个传感探头被放在变压器油、生理盐水和无水乙醇中进行性能测试。测试结果表明，在不同液体中，在1-100 kHz的范围内，两个传感探头在所有方向上的灵敏度分别约为630 mV/Pa和84 mV/Pa。这些结果表明，纳米级厚、大面积的GO薄膜可以在液体中实现高性能的声音探测，为开发传感器提供了一种有竞争力的解决方案。

审核编辑：刘清