华中科大牛广达&朱本鹏合作Nat. Commun.：卤素钙钛矿的高光声转化率及其在高分辨率超声成像中的应用

卤素钙钛矿在太阳能电池、发光二极管、光电探测等领域表现出优异的性能；但领域对卤素钙钛矿的热学特性及其应用关注极少。前期研究发现卤素钙钛矿具有极低的导热系数 (< 1 W m^-1 K^-1 )和小的比热容(~ 308 J kg^-1 K^-1，室温条件下)，结合其吸光系数大的特点，在光致超声领域具有潜在应用价值。光致超声换能器相比于传统超声换能器具有宽频带、抗电磁干扰、制备工艺简单等特点，并被研究应用于超声成像、神经刺激、细胞筛选、溶栓等。

基于以上研究现状，华中科技大学的牛广达教授与朱本鹏教授合作，首次利用钙钛矿(MAPbI₃)作为光吸收材料与具有高热膨胀系数的聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合，制备PDMS/MAPbI₃/PDMS/Glass复合结构的光致超声换能器，研究发现该换能器可产生中心频率为29.2 MHz (-6dB带宽: ~140%)的高频超声，同时具有高的能量转化效率（2.97×10^-2），其性能优于现有报道的其它结果，如图1和表1所示。此外，他们将该光致超声换能器制备在多模光纤（400μm）上，搭建了全光型超声成像系统，实现了对鱼眼切面结构的高分辨率超声成像，如图2所示。该研究结果基于钙钛矿独特的光学及热学特性，为其在生物医学中的应用提供了新思路。相关研究成果以题目“Lead halide perovskite for efficient optoacoustic conversion and application toward high-resolution ultrasound imaging”于近日发表在Nature Communications杂志上(doi.org/10.1038/s41467-021-23788-4)，博士生杜鑫源和博士后李家普为该论文的共同第一作者，牛广达教授和朱本鹏教授为论文的共同通讯作者，此外该论文的研究还受到唐江教授和杨晓非教授的细心指导，合作者还包括华中科技大学的Jun-Hui Yuan, Kan-Hao Xue, Mengling Xia,Weicheng Pan。

图1 基于钙钛矿的光致超声换能器。(a)换能器测试示意图；(b)基于钙钛矿的光致超声换能器声场仿真结果；(c)声波测试值（黑线为实测声压归一化值，红线为对应声波傅里叶变换结果）

表1 具有代表性光致超声换能器性能总结

图2 基于钙钛矿光致超声换能器的全光超声成像。(a)基于钙钛矿光纤光致超声换能器回波测试示意图；(b)换能器不同位置的回波信号实测结果；(c)全光超声成像系统示意图（换能器作为声波发射器，光纤水听器作为声波探测器）；(d)全光超声成像系统对鱼眼切面的高分辨率成像（左侧为成像结果，右侧上部为鱼眼结构示意图，右侧下部为成像实验过程）。

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