Исследователи из Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН создают ряд устройств на основе графена: благодаря термоакустическим свойствам материала такие приборы можно будет использовать как источники звука, средства шумоподавления и нагревательные элементы. Статья об этом опубликована в международном журнале Applied Acoustics.
Графеновые чипы на кремниевых подложках. Источник фото: Ирина Баранова
«Мы изучаем различные углеродные наноматериалы, в том числе графен. Используем практически все способы его получения: растворные методы типа Хаммерса, плазмохимические технологии и химическое осаждение из газовой фазы. Методом химического осаждения мы получаем тонкие однослойные или многослойные графеновые пленки из метана на медной фольге. Такие пленки можно применять для создания различных устройств: сенсоров, датчиков потока жидкостей и термоакустических преобразователей. Последние работают иначе, чем обычные динамики: звук создается не движением мембраны, а изменением температуры поверхности графена. Нагреваясь и остывая, поверхность формирует тепловые волны, которые меняют плотность воздуха и тем самым возбуждают акустические колебания», — рассказывает заведующий лабораторией синтеза новых материалов ИТ СО РАН доктор физико-математических наук Дмитрий Владимирович Смовж.
Термоакустические преобразователи используются давно, но современные технологии стремятся повысить их эффективность. Основная задача — добиться быстрого изменения температуры поверхности: мгновенного нагрева и быстрой передачи тепла окружающей среде. Сегодня тонкие металлические пленки уступили место новым материалам, таким как графен. Тонкий одноатомный слой графена накапливает минимум тепла, моментально отдавая его окружающему воздуху. Малая атомная масса углерода обеспечивает минимальную теплоемкость графена, направляя существенную часть энергии на формирование звуковой волны. Традиционным металлическим покрытиям нужны десятки нанометров толщины, тогда как графен состоит всего из одного слоя атомов. Такое свойство позволяет минимизировать потери тепла и оптимизировать производительность устройства.
Способ возбуждения звука за счет нагрева графена уникален отсутствием механических подвижных частей, что упрощает конструкцию и повышает надежность. Хотя традиционные динамики и эффективнее, но метод, используемый новосибирскими учеными, имеет важное преимущество: способность воспроизводить чрезвычайно высокие частоты вплоть до мегагерцевого диапазона.
Работа началась с графеновых нагревателей. Тогда исследователи изучали теплообмен графеновой пленки с окружающей атмосферой. Позже, сделав надежные графеновые нагреватели, начали экспериментировать с термоакустическими свойствами таких пленок: включали классические музыкальные произведения и наблюдали, как графен создает звук, пытаясь увеличить эффективность этого процесса.
«Основное оборудование нашей лаборатории — CVD-печки. Это герметичные вакуумные реакторы, которые позволяют точно регулировать температуру и состав газов. Два ключевых параметра процесса — правильная подготовка поверхности путем обработки в нужной газовой атмосфере и подача подходящей газовой смеси для роста графена. После экспозиции в правильных условиях мы получаем высококачественную графеновую пленку, которую извлекаем из реактора и отправляем на последующую обработку. Далее происходит процесс переноса графеновой пленки с медной основы через жидкость или используем полимеры», — прокомментировал Дмитрий Смовж.
Следующий этап производства функциональных элементов — нанесение электродов. Для этого используется установка магнетронного напыления. Она оснащена тремя магнетронами и системой очистки подложек ионным пучком, которая позволяет получать чистые металлические покрытия и гетероструктуры. На графеновый чип сначала наносится слой титана для улучшения сцепления, затем — медные контактные площадки. Эта последовательность предотвращает деградацию контактов, характерную для многих подобных композитов. После завершения процесса напыления получаются готовые устройства, пригодные для интеграции в измерительные системы.
Благодаря исключительной прозрачности (до 97%) графен подходит для нанесения на окна и экраны, позволяя создавать «умные» покрытия, способные поглощать посторонние шумы и воспроизводить звук. Например, окно или телевизор будут звучать сами собой, не имея заметных динамиков. Даже кабину самолета можно покрыть графеном, превратив ее в источник информативных сообщений для пилотов, практически невидимый глазу. Кроме того, графен подходит для защиты автомобильных и авиационных стекол от обледенения. В отличие от традиционного покрытия из индий-оловянного оксида (ITO), графеновые пленки не создают бликов и сохраняют стабильность свойств при сильных изгибах и деформациях.
«Что касается ближайших планов по термоакустическим технологиям, мы намерены искать инвесторов для внедрения разработок. Готовы производить демонстрационные образцы для потенциальных заказчиков из авто- и авиастроительных компаний, заинтересованных в снижении шума или защите от обледенения. Научная проверка пройдена успешно, теперь ждем конкретных технических заданий и партнеров, готовых перейти к промышленному применению», — отметил Дмитрий Смовж.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Автор: Ирина Баранова
Информация и фото предоставлены Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
