石墨烯材料在天線技術中的應用
發(fā)布時間：2021-08-17 04:03
電子信息產業(yè)是全球產業(yè)中重要的組成部分,通訊產業(yè)是電子信息產業(yè)的基礎,而天線技術更是通訊產業(yè)的基礎.石墨烯被預言是下一代邏輯器件的主要材料,同時由于其優(yōu)異的透光性和柔韌性,有望實現普通硅基材料所不能實現的透明、彎折功能,從而成為智能可穿戴材料的重要組成部分.為滿足5G技術的超高頻波段響應、不同地區(qū)手機電磁波譜吸收頻段不同、物聯網追蹤以及透明防偽等技術需求,本課題組成功制備出世界首款柔性透明石墨烯射頻天線,實現了柔性和透明的結合,展現出優(yōu)異的性能和穩(wěn)定性.利用石墨烯帶隙可調特性和寬光譜吸收的特點,實現不同頻段電磁波譜吸收,以滿足天線對多頻譜的適用性.通過改變石墨烯的層數、構型以及導電性實現天線多個頻譜的調節(jié),避免通過不同物理開關調控頻段所造成的復雜性,從而將不同天線整合在一個石墨烯天線系統(tǒng)內,大大降低天線占用器件內部的體積并減少功耗.同時,本課題組開發(fā)了可打印石墨烯墨水,設計并制備可調諧縫隙天線,通過外加電壓的方式,可以達到帶寬和諧振頻率的調節(jié).本文基于本課題組的研究,對石墨烯材料在柔性透明天線和可調諧天線領域的進展進行了總結.
【文章來源】：科學通報. 2020,65(35)北大核心EICSCD
【文章頁數】：16 頁
【部分圖文】：
(網絡版彩色)打印石墨烯天線置于不同曲率半徑的圓柱體上的性能測試(a～d),以及可穿戴天線的性能測試(e,f).(a)未彎曲;曲率半徑5.0(b)、3.5 (c)和2.5 cm (d).置于模特手腕處的柔性石墨烯天線照片(e),以及對天線相互接收和發(fā)射情況的測試結果(f)[42]
在不久的未來,柔性透明天線技術將更多地進入日常生活中,通過智能家居(建筑)、智能車窗等,為日常生活提供更多便利.如圖1所示,將透明天線集成于眼鏡片表面,既不影響視物,同時可將眼鏡作為傳感設備,用于監(jiān)測環(huán)境溫濕度、紫外線指數、空氣質量等信號,實時反饋至智能終端;用戶可通過遠程發(fā)送指令到負載有柔性透明天線的智能鏡子(玻璃)上,在實現鏡子本身的用途基礎上,實現除霧、播放音樂、顯示室內溫度等功能;透明柔性天線可用于智能交通領域,將其用于汽車玻璃,既不影響駕駛員的視線,還能實現當車輛行經高速公路收費站時不停車繳費,可以被裝有射頻識別(radio frequency identification,RFID)讀取裝置的路燈等設備識別,以實現實時定位的功能.實時、非侵入、透明并且兼具柔性的無線通信天線在未來具有非常廣闊的應用前景.用于無線電子設備的柔性透明天線的研發(fā)仍是一個亟待解決的課題.目前市面上的傳統(tǒng)天線主要由普通金屬、合金或納米顆粒(如銀、銅或鋁)制成[34,35].這類金屬天線有很多局限性,如透明度低、易被腐蝕或氧化等.此外,就可穿戴柔性電子產品而言,天線對形狀變化的容忍度是至關重要的,因為身體的運動和衣服的褶皺很容易導致天線發(fā)生形變[16,36],金屬天線彎曲或折疊時,其阻抗會發(fā)生劇烈的變化,進而導致天線性能的減弱或喪失.在思考如何實現柔性和透明性的同時,還必須兼顧天線材料的高導電性和穩(wěn)定性.因此,制作高性能的柔性透明天線是極具有難度的,這也是導致該領域發(fā)展緩慢的主要原因之一.導電聚合物[37]、碳納米管[38～40]、石墨烯紙/墨水[41～44]、MoS2[45]和2D MXene[46]等新型材料已經率先嘗試應用于柔性透明天線的研制,相應的性能參數列舉在表1中.然而,它們的低導電性和低透明度仍然影響著天線的性能及其潛在的應用.
在眾多透明材料中,銀納米線(silver nanowire AgNW)、氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)以及石墨烯薄膜吸引了廣大研究者的關注.ITO是一種常見的透明導電材料,但其具有明顯的脆性,彎曲時容易斷裂,并且銦是一種非常稀少的元素[56,57],這些不足嚴重限制了ITO在柔性透明導電器件中的應用.AgNW旋涂于透明柔性基底上制得的AgNW膜,其具有良好的導電性、柔性和透光度,符合柔性透明天線材料的基礎性能需求.但是,AgNW膜在潮濕環(huán)境中易被腐蝕[58],電導率不能保持長期穩(wěn)定,導致基于AgNW膜的天線無法長期使用.單層石墨烯薄膜具有非常好的柔韌性[59]和透光度[3],滿足了天線對柔性和透明的要求.然而,單層石墨烯薄膜的電導較低,無法滿足對天線材料電導的需求.單獨使用AgNW或石墨烯都無法獲得穩(wěn)定的、高質量的柔性透明天線.綜合考慮以上因素,本課題組[47]最終選擇石墨烯/銀納米線/乙烯醋酸乙烯酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(graphene/AgNW/EVA/PET)復合材料用于透明柔性射頻天線的研制,構筑了一款基于graphene/AgNW的柔性透明天線(圖5(a)).該復合材料的導電層包含一層單層的高質量、大單晶石墨烯薄膜其下方是AgNW,基底材料為乙烯醋酸乙烯酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(EVA/PET).我們采用乙烷作為碳源生長大單晶石墨烯薄膜,實現了毫米級尺寸、層數均勻且質量高石墨烯的快速制備,石墨烯單疇尺寸達2 mm.借助熱壓法和電化學鼓泡法,我們制備得到柔性透明導電復合材料graphene/AgNW/EVA/PET.該材料的拉曼光譜顯示了石墨烯的特征峰(圖5(b)),包括～1580 cm-1的G峰和～2700 cm-1的2D峰,而在～1350 cm-1未觀察到明顯的D峰,說明石墨烯薄膜被成功地轉移到基底材料上.Graphene/AgNW/EVA/PET材料具有非常好的柔性,可以被輕松彎折(圖5(c)),透光度高達75%(圖5(d),(e)),面電阻為6Ω/sq(圖5(f));該材料在室溫以及潮濕環(huán)境下都具有很好的抗腐蝕性能.圖3 (網絡版彩色)打印石墨烯天線置于不同曲率半徑的圓柱體上的性能測試(a～d),以及可穿戴天線的性能測試(e,f).(a)未彎曲;曲率半徑5.0(b)、3.5 (c)和2.5 cm (d).置于模特手腕處的柔性石墨烯天線照片(e),以及對天線相互接收和發(fā)射情況的測試結果(f)[42]
【參考文獻】：
博士論文
[1]可調諧天線及基片集成磁偶極子的研究[D]. 韋升俊.西南交通大學 2018
[2]人體中心網絡可穿戴天線及傳播特性研究[D]. 劉寧.北京郵電大學 2012
本文編號：3347021
【文章來源】：科學通報. 2020,65(35)北大核心EICSCD
【文章頁數】：16 頁
【部分圖文】：
(網絡版彩色)打印石墨烯天線置于不同曲率半徑的圓柱體上的性能測試(a～d),以及可穿戴天線的性能測試(e,f).(a)未彎曲;曲率半徑5.0(b)、3.5 (c)和2.5 cm (d).置于模特手腕處的柔性石墨烯天線照片(e),以及對天線相互接收和發(fā)射情況的測試結果(f)[42]
在不久的未來,柔性透明天線技術將更多地進入日常生活中,通過智能家居(建筑)、智能車窗等,為日常生活提供更多便利.如圖1所示,將透明天線集成于眼鏡片表面,既不影響視物,同時可將眼鏡作為傳感設備,用于監(jiān)測環(huán)境溫濕度、紫外線指數、空氣質量等信號,實時反饋至智能終端;用戶可通過遠程發(fā)送指令到負載有柔性透明天線的智能鏡子(玻璃)上,在實現鏡子本身的用途基礎上,實現除霧、播放音樂、顯示室內溫度等功能;透明柔性天線可用于智能交通領域,將其用于汽車玻璃,既不影響駕駛員的視線,還能實現當車輛行經高速公路收費站時不停車繳費,可以被裝有射頻識別(radio frequency identification,RFID)讀取裝置的路燈等設備識別,以實現實時定位的功能.實時、非侵入、透明并且兼具柔性的無線通信天線在未來具有非常廣闊的應用前景.用于無線電子設備的柔性透明天線的研發(fā)仍是一個亟待解決的課題.目前市面上的傳統(tǒng)天線主要由普通金屬、合金或納米顆粒(如銀、銅或鋁)制成[34,35].這類金屬天線有很多局限性,如透明度低、易被腐蝕或氧化等.此外,就可穿戴柔性電子產品而言,天線對形狀變化的容忍度是至關重要的,因為身體的運動和衣服的褶皺很容易導致天線發(fā)生形變[16,36],金屬天線彎曲或折疊時,其阻抗會發(fā)生劇烈的變化,進而導致天線性能的減弱或喪失.在思考如何實現柔性和透明性的同時,還必須兼顧天線材料的高導電性和穩(wěn)定性.因此,制作高性能的柔性透明天線是極具有難度的,這也是導致該領域發(fā)展緩慢的主要原因之一.導電聚合物[37]、碳納米管[38～40]、石墨烯紙/墨水[41～44]、MoS2[45]和2D MXene[46]等新型材料已經率先嘗試應用于柔性透明天線的研制,相應的性能參數列舉在表1中.然而,它們的低導電性和低透明度仍然影響著天線的性能及其潛在的應用.
在眾多透明材料中,銀納米線(silver nanowire AgNW)、氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)以及石墨烯薄膜吸引了廣大研究者的關注.ITO是一種常見的透明導電材料,但其具有明顯的脆性,彎曲時容易斷裂,并且銦是一種非常稀少的元素[56,57],這些不足嚴重限制了ITO在柔性透明導電器件中的應用.AgNW旋涂于透明柔性基底上制得的AgNW膜,其具有良好的導電性、柔性和透光度,符合柔性透明天線材料的基礎性能需求.但是,AgNW膜在潮濕環(huán)境中易被腐蝕[58],電導率不能保持長期穩(wěn)定,導致基于AgNW膜的天線無法長期使用.單層石墨烯薄膜具有非常好的柔韌性[59]和透光度[3],滿足了天線對柔性和透明的要求.然而,單層石墨烯薄膜的電導較低,無法滿足對天線材料電導的需求.單獨使用AgNW或石墨烯都無法獲得穩(wěn)定的、高質量的柔性透明天線.綜合考慮以上因素,本課題組[47]最終選擇石墨烯/銀納米線/乙烯醋酸乙烯酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(graphene/AgNW/EVA/PET)復合材料用于透明柔性射頻天線的研制,構筑了一款基于graphene/AgNW的柔性透明天線(圖5(a)).該復合材料的導電層包含一層單層的高質量、大單晶石墨烯薄膜其下方是AgNW,基底材料為乙烯醋酸乙烯酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(EVA/PET).我們采用乙烷作為碳源生長大單晶石墨烯薄膜,實現了毫米級尺寸、層數均勻且質量高石墨烯的快速制備,石墨烯單疇尺寸達2 mm.借助熱壓法和電化學鼓泡法,我們制備得到柔性透明導電復合材料graphene/AgNW/EVA/PET.該材料的拉曼光譜顯示了石墨烯的特征峰(圖5(b)),包括～1580 cm-1的G峰和～2700 cm-1的2D峰,而在～1350 cm-1未觀察到明顯的D峰,說明石墨烯薄膜被成功地轉移到基底材料上.Graphene/AgNW/EVA/PET材料具有非常好的柔性,可以被輕松彎折(圖5(c)),透光度高達75%(圖5(d),(e)),面電阻為6Ω/sq(圖5(f));該材料在室溫以及潮濕環(huán)境下都具有很好的抗腐蝕性能.圖3 (網絡版彩色)打印石墨烯天線置于不同曲率半徑的圓柱體上的性能測試(a～d),以及可穿戴天線的性能測試(e,f).(a)未彎曲;曲率半徑5.0(b)、3.5 (c)和2.5 cm (d).置于模特手腕處的柔性石墨烯天線照片(e),以及對天線相互接收和發(fā)射情況的測試結果(f)[42]
【參考文獻】：
博士論文
[1]可調諧天線及基片集成磁偶極子的研究[D]. 韋升俊.西南交通大學 2018
[2]人體中心網絡可穿戴天線及傳播特性研究[D]. 劉寧.北京郵電大學 2012
本文編號：3347021
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