太赫兹频段透明的压电薄膜、超声换能器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种太赫兹频段透明的压电薄膜、超声换能器及其制备方法。所述的透明压电薄膜由无机压电材料、在太赫兹频段透明的导电相及聚合物类材料复合而成。而后将得到的太赫兹频段的透明复合压电薄膜作为核心元件制备为透明的超声换能器，最终将制备的超声换能器应用于太赫兹光声显微成像中，以提高太赫兹光声成像中光的传递效率，提高待测对象经激光照射后激发出的声波信号的强度，进而提高太赫兹光声成像的清晰度。兹光声成像的清晰度。兹光声成像的清晰度。

Transparent piezoelectric film in terahertz band, ultrasonic transducer and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
太赫兹频段透明的压电薄膜、超声换能器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及太赫兹光声成像
，尤其涉及一种应用于太赫兹光声显微成像的透明压电薄膜、透明超声换能器及其制备方法。

技术介绍

[0002]太赫兹波的频率通常0.1THz
‑
10THz之间，其波长范围在30μm
‑
3000μm之间。由于太赫兹波可以穿透大多数非极性电介质以及其较低的光子能量等特点，近年来在半导体、生物医学、安检以及药品等方面得到广泛应用。由于生物组织中水分对太赫兹辐射有强烈的吸收作用，因此太赫兹成像对烧伤皮肤组织的监测及回复具有巨大的应用潜力。但是，由于太赫兹的波长较长，传统的太赫兹成像分辨率受限于光学衍射极限（λ/(2
×
NA)，其中λ为光的波长，NA为数值孔径，一般情况下NA≤1），分辨率R≥λ/2，分辨率较低。而太赫兹光声成像可将传统太赫兹成像与超声成像结合，待测对象在安全范围内被太赫兹频段脉冲激光照射。一部分光能被待测对象组织吸收并转换成热，导致短暂的温度上升。周期性的温度变化会引起热弹性效应，从而激发出高频声波，即声波信号。高频超声换能器常用于探测、收集激光脉冲照射的待测对象激发出的高频声波信号。光声成像系统所应用的高频超声换能器可以实现较高的声学分辨率（，其中为声速，为超声换能器的中心频率，为超声换能器的带宽），可以突破传统太赫兹成像的光学衍射极限，实现更高的分辨率。
[0003]此外，为了探测、收集到较强的待测对象激发出的声波信号，超声换能器应该放置在待测对象附近。然而，采用常规的不透明的超声换能器使得激光有效传输到待测对象变得困难，甚至不透明的超声换能器会完全阻挡光线，进而无法使待测对象经过激光照射激发出较强的声波信号，此时超声换能器探测、收集到的声波信号有限，进而影响成像效果。因此，透明超声换能器可有效解决激光传输的问题，可确保待测对象经激光照射后激发出较强的声波信号，进而提高其成像的清晰度。所以，在光声显微成像中对透明超声换能器的研究显得十分重要。在可见光范围内透明的压电材料及超声换能器已是现阶段的研究热点，在太赫兹光声显微成像这一较新的研究领域中，对于太赫兹频段透明的压电复合材料以及太赫兹频段的超声换能器的研究更是一个热点，一个难点。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本申请实施例的目的是提供一种应用于太赫兹光声显微成像的透明压电薄膜、透明超声换能器及其制备方法。既突破了传统太赫兹成像的光学衍射极限对其成像分辨率的限制（λ/(2
×
NA)），实现高分辨率的太赫兹成像，又解决了在太赫兹光声显微成像过程中激光传输至待测对象过程中被阻碍的问题，以确保太赫兹频段的激光可直接穿过透明的超声换能器到达待测对象，进而保证待测对象经激光照射后激发出较强的声波信号，保证了最后成像的清晰度。同时可根据光声显微成像的轴向分辨率的计算公式
，（为声速，为超声换能器的中心频率，为超声换能器的带宽），优化透明超声换能器的中心频率和带宽，以提高成像分辨率。
[0005]为实现上述技术目的，本专利技术的技术方案具体为：根据本申请实施例的第一方面，提供一种太赫兹频段透明的压电复合薄膜，该薄膜主要由无机压电材料、在太赫兹频段透明的导电相及太赫兹频段透明的聚合物类材料复合而成。
[0006]进一步地， 所述的太赫兹频段透明的聚合物类材料选自聚甲基戊烯、高密度聚乙烯、聚四氟乙烯中的一种；所述在太赫兹频段透明的导电相选自层数≤4层的石墨烯、二维二硫化钼超材料中的一种；所述的无机压电相选自PZT、PMN
‑
PT、PZN
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PT中的一种；所述的无机压电材料颗粒尺寸≤5μm。
[0007]需要说明的是，上述复合压电薄膜中的有机压电相、无机压电相颗粒及导电相的组分比例均可依据性能需要进行调节。这里给出优选地比例范围：所述的太赫兹频段透明的聚合物的质量百分比为35wt%
‑
60wt%，无机压电材料的质量百分比为30wt%
‑
55wt%，在太赫兹频段透明的导电相的质量百分比为0.0001wt%
‑
15wt%。
[0008]根据本申请实施例的第二方面，提供一种太赫兹频段透明的压电薄膜的制备方法，如下步骤：（1）将太赫兹频段透明的聚合物加热致熔融状态；（2）在上述步骤（1）得到的熔融状态的聚合物类材料中加入太赫兹频段透明的导电掺杂相、无机压电材料，即将导电掺杂相、无机压电相均以0维的方式分散于熔融状态下的聚合物基底中，在保证太赫兹频段透明聚合物熔融状态下将三者搅拌，使分散均匀，得到无机压电材料/导电掺杂相/聚合物复合溶液；（3）将上述步骤（2）得到的溶液热压、固化为无机压电材料/导电掺杂相/聚合物复合压电薄膜；（4）将上述步骤（3）得到的复合压电薄膜的两侧分别涂覆上在太赫兹频段透明的电极，对上述复合材料进行交流极化，即利用交变电场使压电薄膜内部连续的铁电畴相互融合以减少铁电畴数目，进而减少太赫兹波在畴壁处的散射，最终制备出在太赫兹频段透明的压电复合薄膜。
[0009]所述的太赫兹频段透明的压电薄膜的制备方法，无机压电材料、导电掺杂相的熔点均应高于太赫兹频段透明的聚合物的熔点，以确保在聚合物基底熔融的温度时无机压电材料和导电掺杂相保持完好；根据本申请实施例的第三方面，提供一种太赫兹频段透明的压电薄膜的制备方法，包括如下步骤：S1、利用含有镧 La元素的氧化物和无机压电材料进行混合、球磨、单次或分步固相烧结等方式对无机压电相进行La掺杂，得到La
‑
掺杂的无机压电相，以使无机压电相的铁电畴分解成空间尺寸(几十纳米)远小于太赫兹波长的极性纳米区域，显著减小畴的大小，以实现太赫兹频段下的透明性；S2、将太赫兹频段透明的聚合物加热致熔融状态；S3、在上述步骤S2得到的熔融状态的聚合物类材料中加入太赫兹频段透明的导电掺杂相以及上述步骤S1所得到的La
‑
掺杂的无机压电相，即将导电掺杂相、La
‑
掺杂的无机
压电相均以0维的方式分散于熔融状态下的聚合物基底中，在保证太赫兹频段透明聚合物熔融状态下将三者搅拌，使分散均匀，得到La
‑
掺杂的无机压电相/导电掺杂相/聚合物复合溶液；S4、将上述步骤S3得到的溶液热压、固化为透明的La
‑
掺杂的无机压电材料/导电掺杂相/聚合物复合压电薄膜；S5、将上述步骤S4得到的复合压电薄膜的两侧分别涂覆上在太赫兹频段透明的电极，施加直流电场进行极化，最终得到极化后的在太赫兹频段透明的压电复合薄膜。
[0010]进一步地，无机压电材料、导电掺杂相的熔点均应高于太赫兹频段透明的聚合物的熔点，以确保在聚合物基底熔融的温度时无机压电材料和导电掺杂相保持完好；根据本申请实施例的第四方面，提供一种太赫兹频段的透明电极为二甲基亚砜复合的聚(3,4
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乙烯二氧噻吩):聚(4
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苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)复合电极及所述电极的制备方法，其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹频段透明的压电薄膜，其特征在于，由无机压电材料、在太赫兹频段透明的导电相及太赫兹频段透明的聚合物类材料复合而成。2.根据权利要求1所述的太赫兹频段透明的压电薄膜，其特征在于，所述的太赫兹频段透明的聚合物类材料选自聚甲基戊烯、高密度聚乙烯、聚四氟乙烯中的一种；所述在太赫兹频段透明的导电相选自层数≤4层的石墨烯、二维二硫化钼超材料中的一种；所述的无机压电材料选自PZT、PMN
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PT、PZN
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PT中的一种。3.根据权利要求1所述的太赫兹频段透明的压电薄膜，其特征在于，所述的无机压电材料的颗粒尺寸≤5μm。4.根据权利要求1所述的太赫兹频段透明的压电薄膜，其特征在于，所述的太赫兹频段透明的聚合物的质量百分比为35wt%
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60wt%，无机压电材料的质量百分比为30wt%
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55wt%，在太赫兹频段透明的导电相的质量百分比为0.0001wt%
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15wt%。5.一种权利要求1~4任一项所述的太赫兹频段透明的压电薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将太赫兹频段透明的聚合物类材料加热致熔融状态；（2）在上述步骤（1）得到的熔融状态的聚合物类材料中加入太赫兹频段透明的导电相作为导电掺杂相、无机压电材料，即将导电掺杂相、无机压电相均以0维的方式分散于熔融状态下的聚合物基底中，在保证太赫兹频段透明聚合物熔融状态下将三者搅拌，使分散均匀，得到无机压电材料/导电掺杂相/聚合物复合溶液；（3）将上述步骤（2）得到的溶液热压、固化为无机压电材料/导电掺杂相/聚合物复合压电薄膜；（4）将上述步骤（3）得到的复合压电薄膜的两侧分别涂覆太赫兹频段透明的电极，对上述复合压电薄膜进行交流极化，即利用交变电场使压电薄膜内部连续的铁电畴相互融合以减少铁电畴数目，进而减少太赫兹波在畴壁处的散射，最终制备出在太赫兹频段透明的压电复合薄膜。6.一种权利要求1~4任一项所述的太赫兹频段透明的压电薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、利用含有La元素的氧化物和无机压电材料进行包括混合、球磨、单次或分步固相烧结在内的方式对无机压电材料进行La掺杂，得到La
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掺杂的无机压电相，以使无机压电相的铁电畴分解成空间尺寸为几十纳米数量级的极性纳米区域；S2、将太赫兹频段透明的聚合物类材料加热致熔融状态；S3、在上述步骤S2得到的熔融状态的聚合物类材料中加入太赫兹频段透明的导电掺杂相以及上...

【专利技术属性】
技术研发人员：任丹阳，施钧辉，尹永刚，陈睿黾，李驰野，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：