清华微电子所任天令课题组首次实现石墨烯智能人工喉

2017-03-01

2月24日，清华大学微电子所任天令教授课题组在《自然通讯》（Nature Communications）上发表了题为《具有声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”）的研究论文，该新型智能器件具有声音收发一体化的特点，既能接收声音，又可以发射声音，并且具有良好的生物兼容性，贴附在聋哑人喉部便可以辅助聋哑人“开口说话”。该器件是石墨烯在可穿戴领域的全新应用，并有望在生物医疗、语音识别等领域产生重要影响。

基于石墨烯的人工喉器件示意图，该器件能够探测人喉部振动并转化为可控声音。

声学器件主要包括发声器件和收声器件。研究收发一体化的声学器件并应用到柔性可穿戴领域具有重要研究价值， 工作在可听域（20Hz - 20kHz）的传统发声与收声器件通常是分立器件，单器件无法同时实现发声与收声。除此之外，传统的声学器件不具备柔韧性，故不适用于柔性可穿戴应用，另一方面柔性可穿戴领域近些年来蓬勃发展，柔性显示器、传感器均获得了较大突破，为了实现一整套柔性电子信息系统，有必要研究集成的柔性声学器件。

任天令教授课题组创新性地提出了一种收发同体的集成声学器件，能够基于石墨烯的热声效应发射声音，并利用石墨烯的压阻效应来接收声音，从而巧妙的实现了单器件的声音收发同体。在器件制备工艺上采用了独特的激光直写技术，能够直接将成本低廉的大面积聚酰亚胺薄膜快速转化为图形化的多孔石墨烯材料。该多孔石墨烯材料一方面具有高热导率和低热容率，能够通过热声效应发出100Hz-40kHz的宽频谱声音；另一方面多孔结构对压力极为敏感，能够感知发声时喉咙处的微弱振动，可以通过压阻效应接收声音信号，从而实现了单器件声音收发一体化集成。因此，可以基于该器件感知聋哑人的低吟等特殊声音，并将这种“无含义声音”转换为频率、强度可控的声音，从而有望帮助聋哑人“开口说话”。

近年来，任天令教授致力于石墨烯器件的基础研究和实用化应用的探索，尤其关注研究突破传统器件限制的新型微纳电子器件，为新一代微纳电子器件技术奠定基础，在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面已获得了多项创新成果，如柔性石墨烯发声器件，新型石墨烯阻变存储器，光谱可调的石墨烯发光器件，石墨烯仿生突触器件，可调石墨烯应力传感器等，相关成果曾多次发表于《自然通讯》（Nature Communications）《先进材料》（Advanced Materials）《纳米快报》（Nano Letters）《美国化学学会纳米》（ACS Nano）国际电子器件大会（IEDM）等。

清华大学微纳电子系博士生陶璐琪和微纳电子系2015年博士毕业生田禾（现为南加州大学博士后）是文章的共同第一作者，清华大学微电子所任天令教授和杨轶副教授是论文的通讯作者。该研究成果得到了国家自然基金重点项目和科技部项目的支持。

论文链接：http://www.nature.com/articles/ncomms14579

转自清华新闻网

背景资料：任天令,1997年至1999年在清华大学电子学与通信博士后流动站从事博士后研究工作，出站后留校任教至今。现为清华大学微电子所教授，博士生导师，微纳器件与系统研究室主任。近年来承担国家自然科学重点基金、国家重大科技专项、科技部863计划、科技部973计划等多项重要科研项目。主要研究方向为新型微纳电子器件与集成系统技术，包括二维电子器件、新型存储器、微纳传感器与系统、柔性微电子器件与系统等。在国内外学术期刊和会议发表论文300余篇，包括SCI期刊论文160余篇，国际微电子领域顶级学术会议IEDM论文10篇；获得国内外发明专利50余项。2004获得新世纪优秀人才支持计划，2010年获得国家杰出青年科学奖，2012年评为教育部“长江学者”特聘教授。