Графеновые микрофоны (сокращенный вариант)

По принципу действия графеновый микрофон является конденсаторным, но в качестве мембраны в нем используется тонкая пленка из нескольких слоев графена. Благодаря особым свойствам графена, микрофон с такой мембраной способен регистрировать акустические колебания в очень широкой полосе частот – вплоть до нескольких мегагерц.

Возможности применения одного или нескольких слоев графена в качестве мембраны для преобразователей акустических колебаний в электрические в настоящее время являются предметом исследований группы графена (G-лаборатория) Института физики Белградского Университета. Экспериментальный и теоретический анализ одно- и многослойных графеновых пленок, а также реализация первых образцов акустических преобразователей – все это находится сейчас в стадии интенсивных исследований. Для теоретических расчетов используется хорошо зарекомендовавший себя при решении задач механики деформируемого тела метод конечных элементов (Finite Еlement Method - FEM)

Метод конечных элементов (МКЭ) –это численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики.Суть метода состоит в том, чтообласть, в которой ищется решение дифференциальных уравнений, разбивается на конечное множество подобластей (элементов). Для каждого из элементов произвольно выбирается наиболее подходящий вид аппроксимирующей функции. В простейшем случае это может бытьполином первой степени. Вне своего элемента аппроксимирующая функция считается равной нулю. Значения функций на границах элементов (в узлах) являются решением задачи и заранее неизвестны. Коэффициенты аппроксимирующих функций обычно находятся из условия равенства значения соседних функций на границах между элементами (в узлах). Затем эти коэффициенты выражаются через значения функций в узлах элементов. Составляется система линейных алгебраических уравнений. Количество этих уравнений равно количеству неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы, и прямо пропорционально количеству элементов. Так как каждый из элементов связан с ограниченным количеством соседних, система линейных алгебраических уравнений имеет разреженный вид (т. е. с преимущественно нулевыми элементами), что существенно упрощает её решение

Наноматериалы и нанотехнологии, о которых упоминал Ричард Фейнман в своих лекциях еще в 1959 году, определяя их как «манипуляции материи на атомном и молекулярном уровне», ожидали для своего развития появления технологий XXI века. В настоящее время нанотехнологии начали играть основополагающую роль в необратимом процессе научно-технического прогресса.

Наиболее важными свойствами наноматериалов, которые обусловили пристальный интерес к ним в самых разных областях науки и техники, являются:

• низкая удельная плотность;

• высокая жесткость;

• хорошая электропроводность;

• хорошая теплопроводность;

• низкий коэффициент теплового расширения;

• высокая термическая стабильность;

• оптическая прозрачность.

Ознакомимся, прежде всего, более подробно с самим материалом, который используется здесь в качестве мембраны – графеном.

ГРАФЕН

Графен- это аллотропная модификация углерода, которая была описана и получила свое нынешнее название еще в 1962 году. Получение графена методом отшелушивания от графита в 2004 году принесло Андрею Гейму и Константину Новоселову Нобелевскую премию по физике в 2010 году. Атомы углерода в этом материале расположены в виде регулярной гексагональной решетки (рис. 8.1). Графен можно охарактеризовать как пленку, состоящую из одноатомного слоя минерала графита (много слоев графена, сложенных вместе, составляют кристалл графита).

8.2. АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГРАФЕНА

В КАЧЕСТВЕ МАТЕРИАЛА ДЛЯ МЕМБРАНЫ МИКРОФОНА

Для анализа перспектив графена как материала для мембран, была использована модель микрофона, созданная в программе COMSOL Multyphysics FEM

Анализ графенового микрофона состоял в сравнении характеристик высококачественного конденсаторного микрофона с никелевой мембраной и характеристик того же микрофона, но с мембраной из нескольких слоев графена.

После проведения предварительных исследований нескольких микрофонных капсюлей, был выбран микрофон фирмы B&K тип 4134, который обладал очень хорошими характеристиками и показался исследователям наиболее подходящим для эксперимента.

Графен – это чудесный материал со многими превосходными качествами. Это самый тонкий из всех известных материалов во Вселенной (высотой только в один атом углерода, т.е. толщиной приблизительно 0,3нм), такой тонкий, что его даже невозможно измерить. Измерения показали, что графен имеет прочность на разрыв более чем в 200 раз больше, чем у гипотетической стальной пленки такой же толщины, с упругостью в 1 ТПа. Это очень легкий материал - 1 м2 пленки весит всего 0.77 миллиграммов. Механические и термические свойства графена могут обеспечить ему замечательные возможности применения в акустических преобразователях. Первый графеновый электростатический громкоговоритель был описан в статье исследователей из Беркли. Тонкая структура постоянной толщины определяет оптическую прозрачность графена, что делает его подходящим (в виде пленки из одного или нескольких слоев) для тех акустических приложений, где визуальная прозрачность графенового устройства имеет ключевое значение. Например, если покрыть прозрачной графеновой пленкой монитор компьютера или мобильного устройства, то такое покрытие само по себе может излучать звук и дополнительные элементы уже не потребуются.

Применимость графена в качестве материала для использования в звукотехнике находится в тесной взаимосвязи с его электрическими свойствами. Носители заряда в графене имеют гигантскую внутреннюю подвижность, нулевую эффективную массу и могут путешествовать внутри материала без рассеяния при комнатной температуре. Графен может выдерживать плотности тока на 6 порядков выше, чем медь, обладает рекордной теплопроводностью и жесткостью, непроницаем для газов и сочетает в себе такие противоречивые качества, как хрупкость и пластичность

Недавно была разработана и уже производится особая форма графена, называемая графеновой бумагой - (GraphenePaper – GP)

8.2. АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГРАФЕНА

В КАЧЕСТВЕ МАТЕРИАЛА ДЛЯ МЕМБРАНЫ МИКРОФОНА

Для анализа перспектив графена как материала для мембран, была использована модель микрофона, созданная в программе COMSOL Multyphysics FEM

Анализ графенового микрофона состоял в сравнении характеристик высококачественного конденсаторного микрофона с никелевой мембраной и характеристик того же микрофона, но с мембраной из нескольких слоев графена.

После проведения предварительных исследований нескольких мик-рофонных капсюлей, был выбран микрофон фирмы B&K тип 4134, который обладал очень хорошими характеристиками и показалсяисследователям наиболее подходящим для эксперимента.

Наиболее подходящий для такого рода исследований тип графена был выбран с учетом рекомендаций производителя. Это многослойная, состоящая из 30–60 слоев пленка графена, полученная методом CVD (Chemical Vapor Deposition- химического осаждения из газовой фазы) и выращенная на никелевой фольге размером 2х2 дюйма. Толщина образца – 10-20 нм. На рис. 8.3,а показано фото образца, а также увеличенное изображение того же образца, полученное с помощью оптического микроскопа (рис. 8.3,b). Для проверки наличия D пиков в образце графена использовался метод Рамановской спектроскопии. Если D пики присутствуют, то это может означать наличие в образце таких дефектов, как трещины, выступающие ребра или дефекты структуры.Такая толщина графеновой пленки гарантирует, что мембрана будет сплошной и достаточно прочной, но по-прежнему возникает вопрос, который имеет для графена решающее значение: обеспечат ли его свойства достаточно высокую чувствительность микрофона. Модель конденсаторного микрофона с простой и симметричной вдоль центральной оси геометрией была создана в COMSOL. Эта модель была необходима для того, чтобы установить точное описание физических принципов работы и получить важные данные о таком микрофоне. Модель позволяет разобраться в целом ряде проблем, лежащих в различных областях физики: в термоакустике, электростатике, способе перемещения сетки и модели мембраны; модель требует преобразователя напряжения AC/DC и структурного механического модуля.

Выбор измерительного микрофона фирмы B&K тип 4134 был подходящим для эксперимента еще и потому, что существовал целый ряд точных и подробных технических данных об этом микрофоне. Это позволяет легко сравнивать новые эффекты, которые будут появляться при замене старой никелевой мембраны на новую– графеновую.

8.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОФОНА

Приведенные в табл. 8.1 размеры и параметры соответствуют микрофонному капсюлю фирмы B&K тип 4136

8.4. ПЕРСПЕКТИВЫ ГРАФЕНОВЫХ МИКРОФОНОВ

Дальнейшие эксперименты позволили установить некоторые закономерности, которые, конечно, сейчас можно рассматривать только как предварительные. Например, при толщине графеновой мембраны в 60 слоев можно добиться увеличения чувствительности в 32 раза в сравнении собычной никелевой. Правда, только в звуковом диапазоне. Если использовать более толстую мембрану из 300 слоев графена, то чувствительность микрофона хотя и уменьшится до значений, характерных для микрофонов с обычной никелевой мембраной, но полосу рабочих частот можно расширить до 1 МГц и выше.

Вообще говоря, необходимо установить критерии для наиболее подходящей в каждом конкретном случае применении конструкции. Если ключевым параметром является высокая чувствительность, то должна быть выбрана конструкция с низким статическим напряжением мембраны, если наиболее важное значение имеет плавный переход от звуковой полосы частот к ультразвуковой области, то должна применяться мембрана с повышенным статическим напряжением. Гладкий переход амплитудной характеристики связан с гладкой фазовой характеристикой и низкой групповой задержкой преобразователя. Ожидается, что уровень шумов микрофона будет очень низким, а устойчивость к изменениям температуры и других параметров окружающей среды - очень высокой. Все эти преимущества должно привести к появлению целой индустрии графеновых преобразователей. Первые физические образцы их должны появиться в самое ближайшее время. Результаты покажут, насколько точным было моделирование. Тем не менее, исходя из уже достигнутых результатов, можно предположить, что звучание музыки, записанной с помощью графеновых микрофонов, будет значительно лучше, чем звучание музыки, записанной с помощью микрофонов классического дизайна.

Основным сдерживающим фактором на пути широкого практического применения такой технологии является дороговизна графена. Производство его достаточно сложно и энергоемко.То, что можно себе позволить для выполнения экспериментов, не годится для создания изделий массового спроса.Производственные затраты пока чрезмерно велики. Но с учетом темпов развития современных технологий, проблема массового производства графена может быть решена в ближайшее время, и этот материал найдет дорогу на широкий потребительский рынок - в том числе в видемикрофонных устройств, обладающих превосходными характеристиками, и по цене не выше обычных конденсаторных.

Кроме того, графеновые микрофоны можно использовать в научных целях – для записи звуков, которые издают многие животные – летучие мыши, например, или подводные обитатели. С учетом того, что на основе графена можно изготавливать и излучатели с очень широким диапазоном частот формируемых колебаний, следует ожидать их применения в области геолокации. К тому же эффективность таких преобразователей чрезвычайно высока – до 99%.

Результаты вычислений показали, что все очень хорошо согласуется с паспортными данными микрофона фирмы B&K тип 4136 (рис. 8.7). Резонансная частота около 75 кГц лежит в диапазоне частот 10 Гц – 200 кГц. Выше резонансной частоты чувствительность и деформации мембраны уменьшаются (в мембране устанавливаются более высокие режимы колебаний).

После этого никелевая мембрана была заменена на графеновую, и для расчета был использован набор параметров, указанный в табл. 8.2. Как видно из таблицы, большинство параметров остались прежними. Те параметры, которые при такой замене изменили свои значения, выделены здесь жирным шрифтом.

Для эксперимента было решено использовать две величины натяже-ния мембраны в статическом состоянии – в одном случае это величина 6300 Н/м, как у никелевой мембраны, в другом – в два раза выше - 12600 Н/м. Микрофон с мембраной по первому варианту обозначался как GM1, с мембраной по второму варианту - GM2.

Результаты, полученные с использованием графеновых мембран микрофонов GM1 и GM2,представляются очень интересными. Благодаря предельной легкости и малой толщине мембран резонансные частоты перемещается далеко в ультразвуковой диапазон (6,6 МГц). В звуковом диапазоне микрофоны ведут себя сходно с микрофоном типа 4136 с никелевой мембраной. Чувствительность GM1 уменьшается примерно на 10 дБ в полосе частот ультразвука из-за отсутствия резонанса и волновых явлений, но переход от звукового к ультразвуковому диапазону плавный - как по амплитуде, так и по фазе с низкой групповой задержкой. Чувствительность микрофона может уменьшаться, если натяжение мембраны увеличивается (для GM2 эта величина меньше чем на 5 дБ), но общая чувствительность снижается 10 дБ, что может быть неприемлемым. С другой стороны, если характер перехода от звукового диапазона к ультразвуковому является ключевым фактором, то снижением чувствительности можно и пренебречь, а с конструкцией микрофона GM2 разобраться более серьезно

8.4. ПЕРСПЕКТИВЫ ГРАФЕНОВЫХ МИКРОФОНОВ

Дальнейшие эксперименты позволили установить некоторые закономерности, которые, конечно, сейчас можно рассматривать только как предварительные. Например, при толщине графеновой мембраны в 60 слоев можно добиться увеличения чувствительности в 32 раза в сравнении собычной никелевой. Правда, только в звуковом диапазоне. Если использовать более толстую мембрану из 300 слоев графена, то чувствительность микрофона хотя и уменьшится до значений, характерных для микрофонов с обычной никелевой мембраной, но полосу рабочих частот можно расширить до 1 МГц и выше.

Вообще говоря, необходимо установить критерии для наиболее подходящей в каждом конкретном случае применении конструкции. Если ключевым параметром является высокая чувствительность, то должна быть выбрана конструкция с низким статическим напряжением мембраны, если наиболее важное значение имеет плавный переход от звуковой полосы частот к ультразвуковой области, то должна применяться мембрана с повышенным статическим напряжением. Гладкий переход амплитудной характеристики связан с гладкой фазовой характеристикой и низкой групповой задержкой преобразователя. Ожидается, что уровень шумов микрофона будет очень низким, а устойчивость к изменениям температуры и других параметров окружающей среды - очень высокой. Все эти преимущества должно привести к появлению целой индустрии графеновых пре-образователей. Первые физические образцы их должны появиться в самое ближайшее время. Результаты покажут, насколько точным было моделирование. Тем не менее, исходя из уже достигнутых результатов, можно предположить, что звучание музыки, записанной с помощью графеновых микрофонов, будет значительно лучше, чем звучание музыки, записанной с помощью микрофонов классического дизайна.

Основным сдерживающим фактором на пути широкого практического применения такой технологии является дороговизна графена. Производство его достаточно сложно и энергоемко.То, что можно себе позволить для выполнения экспериментов, не годится для создания изделий массового спроса.Производственные затраты пока чрезмерно велики. Но с учетом темпов развития современных технологий, проблема массового производства графена может быть решена в ближайшее время, и этот материал найдет дорогу на широкий потребительский рынок - в том числе в видемикрофонных устройств, обладающих превосходными характеристиками, и по цене не выше обычных конденсаторных.

Кроме того, графеновые микрофоны можно использовать в научных целях – для записи звуков, которые издают многие животные – летучие мыши, например, или подводные обитатели. С учетом того, что на основе графена можно изготавливать и излучатели с очень широким диапазоном частот формируемых колебаний, следует ожидать их применения в области геолокации. К тому же эффективность таких преобразователей чрезвычайно высока – до 99%.

(Глава 8 из книги В.А. Никамин Микрофоны СПб 2020, 116 с.)