清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團隊報道了一種基于微結(jié)構(gòu)襯底的MXene聲學(xué)傳感器，用于模仿人耳膜的功能來實現(xiàn)聲音的探測與識別。MXene作為一種新型的二維（2D）過渡金屬碳化物和氮化物材料，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)特性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。Ti3C2Tx作為MXene家族的代表，其較大的層間距和特殊二維層狀結(jié)構(gòu)使Ti3C2Tx具有高的力學(xué)敏感性。微金字塔陣列結(jié)構(gòu)的PDMS襯底具有極低的形變因子，在外力下容易發(fā)生形變。因此，采用具有大層間距離的MXene和具有微金字塔結(jié)構(gòu)的PDMS襯底可以實現(xiàn)聲音信號的兩級放大，獲得高的靈敏度（62 kPa-1）和低的探測下限（0.1 Pa），并且實現(xiàn)了聲音信號的記錄功能。通過MXene器件記錄的語音信號波形與原始音頻波形幾乎保持一致，表明具有出色的聲學(xué)傳感能力。同時，采用機器學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)了280個語音信號的識別與分類，訓(xùn)練集和測試集的準(zhǔn)確率可以分別達(dá)到96.4%和95%。以上的研究表明柔性MXene聲學(xué)傳感器在人機交互系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用潛力。
圖1 MXene聲學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)、工作機理及性能圖
上述相關(guān)成果以“基于高靈敏的MXene智能人工耳膜的兩級放大”（Two-stage amplification of an ultrasensitive MXene-based intelligent artificial eardrum）為題，于3月30日在線發(fā)表在《科學(xué)·進展》（Science Advances）上。論文的通訊作者為清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授、楊軼副教授、田禾副教授和韓國科學(xué)技術(shù)院安致元（Chi Won Ahn）教授，清華大學(xué)集成電路學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生茍廣洋、2020級博士生李驍時、博士后簡錦明和田禾副教授為共同第一作者。該項目得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部重點研發(fā)計劃、北京市自然基金委、北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心等的支持。
近年來，任天令團隊致力于二維材料的基礎(chǔ)研究和實用化應(yīng)用的探索，尤其關(guān)注研究突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類傳感器件方面已取得了多項創(chuàng)新成果。先后在《自然》（Nature）、《自然·電子》（Nature Electronics）、《自然·通訊》（Nature Communications）等知名期刊以及國際電子器件會議（IEDM）等領(lǐng)域內(nèi)頂級國際學(xué)術(shù)會議上發(fā)表多篇論文。
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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn2156
