石墨烯材料在天线技术中的应用
发布时间：2021-08-17 04:03
电子信息产业是全球产业中重要的组成部分,通讯产业是电子信息产业的基础,而天线技术更是通讯产业的基础.石墨烯被预言是下一代逻辑器件的主要材料,同时由于其优异的透光性和柔韧性,有望实现普通硅基材料所不能实现的透明、弯折功能,从而成为智能可穿戴材料的重要组成部分.为满足5G技术的超高频波段响应、不同地区手机电磁波谱吸收频段不同、物联网追踪以及透明防伪等技术需求,本课题组成功制备出世界首款柔性透明石墨烯射频天线,实现了柔性和透明的结合,展现出优异的性能和稳定性.利用石墨烯带隙可调特性和宽光谱吸收的特点,实现不同频段电磁波谱吸收,以满足天线对多频谱的适用性.通过改变石墨烯的层数、构型以及导电性实现天线多个频谱的调节,避免通过不同物理开关调控频段所造成的复杂性,从而将不同天线整合在一个石墨烯天线系统内,大大降低天线占用器件内部的体积并减少功耗.同时,本课题组开发了可打印石墨烯墨水,设计并制备可调谐缝隙天线,通过外加电压的方式,可以达到带宽和谐振频率的调节.本文基于本课题组的研究,对石墨烯材料在柔性透明天线和可调谐天线领域的进展进行了总结.
【文章来源】：科学通报. 2020,65(35)北大核心EICSCD
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
(网络版彩色)打印石墨烯天线置于不同曲率半径的圆柱体上的性能测试(a～d),以及可穿戴天线的性能测试(e,f).(a)未弯曲;曲率半径5.0(b)、3.5 (c)和2.5 cm (d).置于模特手腕处的柔性石墨烯天线照片(e),以及对天线相互接收和发射情况的测试结果(f)[42]
在不久的未来,柔性透明天线技术将更多地进入日常生活中,通过智能家居(建筑)、智能车窗等,为日常生活提供更多便利.如图1所示,将透明天线集成于眼镜片表面,既不影响视物,同时可将眼镜作为传感设备,用于监测环境温湿度、紫外线指数、空气质量等信号,实时反馈至智能终端;用户可通过远程发送指令到负载有柔性透明天线的智能镜子(玻璃)上,在实现镜子本身的用途基础上,实现除雾、播放音乐、显示室内温度等功能;透明柔性天线可用于智能交通领域,将其用于汽车玻璃,既不影响驾驶员的视线,还能实现当车辆行经高速公路收费站时不停车缴费,可以被装有射频识别(radio frequency identification,RFID)读取装置的路灯等设备识别,以实现实时定位的功能.实时、非侵入、透明并且兼具柔性的无线通信天线在未来具有非常广阔的应用前景.用于无线电子设备的柔性透明天线的研发仍是一个亟待解决的课题.目前市面上的传统天线主要由普通金属、合金或纳米颗粒(如银、铜或铝)制成[34,35].这类金属天线有很多局限性,如透明度低、易被腐蚀或氧化等.此外,就可穿戴柔性电子产品而言,天线对形状变化的容忍度是至关重要的,因为身体的运动和衣服的褶皱很容易导致天线发生形变[16,36],金属天线弯曲或折叠时,其阻抗会发生剧烈的变化,进而导致天线性能的减弱或丧失.在思考如何实现柔性和透明性的同时,还必须兼顾天线材料的高导电性和稳定性.因此,制作高性能的柔性透明天线是极具有难度的,这也是导致该领域发展缓慢的主要原因之一.导电聚合物[37]、碳纳米管[38～40]、石墨烯纸/墨水[41～44]、MoS2[45]和2D MXene[46]等新型材料已经率先尝试应用于柔性透明天线的研制,相应的性能参数列举在表1中.然而,它们的低导电性和低透明度仍然影响着天线的性能及其潜在的应用.
在众多透明材料中,银纳米线(silver nanowire AgNW)、氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)以及石墨烯薄膜吸引了广大研究者的关注.ITO是一种常见的透明导电材料,但其具有明显的脆性,弯曲时容易断裂,并且铟是一种非常稀少的元素[56,57],这些不足严重限制了ITO在柔性透明导电器件中的应用.AgNW旋涂于透明柔性基底上制得的AgNW膜,其具有良好的导电性、柔性和透光度,符合柔性透明天线材料的基础性能需求.但是,AgNW膜在潮湿环境中易被腐蚀[58],电导率不能保持长期稳定,导致基于AgNW膜的天线无法长期使用.单层石墨烯薄膜具有非常好的柔韧性[59]和透光度[3],满足了天线对柔性和透明的要求.然而,单层石墨烯薄膜的电导较低,无法满足对天线材料电导的需求.单独使用AgNW或石墨烯都无法获得稳定的、高质量的柔性透明天线.综合考虑以上因素,本课题组[47]最终选择石墨烯/银纳米线/乙烯醋酸乙烯酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(graphene/AgNW/EVA/PET)复合材料用于透明柔性射频天线的研制,构筑了一款基于graphene/AgNW的柔性透明天线(图5(a)).该复合材料的导电层包含一层单层的高质量、大单晶石墨烯薄膜其下方是AgNW,基底材料为乙烯醋酸乙烯酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(EVA/PET).我们采用乙烷作为碳源生长大单晶石墨烯薄膜,实现了毫米级尺寸、层数均匀且质量高石墨烯的快速制备,石墨烯单畴尺寸达2 mm.借助热压法和电化学鼓泡法,我们制备得到柔性透明导电复合材料graphene/AgNW/EVA/PET.该材料的拉曼光谱显示了石墨烯的特征峰(图5(b)),包括～1580 cm-1的G峰和～2700 cm-1的2D峰,而在～1350 cm-1未观察到明显的D峰,说明石墨烯薄膜被成功地转移到基底材料上.Graphene/AgNW/EVA/PET材料具有非常好的柔性,可以被轻松弯折(图5(c)),透光度高达75%(图5(d),(e)),面电阻为6Ω/sq(图5(f));该材料在室温以及潮湿环境下都具有很好的抗腐蚀性能.图3 (网络版彩色)打印石墨烯天线置于不同曲率半径的圆柱体上的性能测试(a～d),以及可穿戴天线的性能测试(e,f).(a)未弯曲;曲率半径5.0(b)、3.5 (c)和2.5 cm (d).置于模特手腕处的柔性石墨烯天线照片(e),以及对天线相互接收和发射情况的测试结果(f)[42]
【参考文献】：
博士论文
[1]可调谐天线及基片集成磁偶极子的研究[D]. 韦升俊.西南交通大学 2018
[2]人体中心网络可穿戴天线及传播特性研究[D]. 刘宁.北京邮电大学 2012
本文编号：3347021
【文章来源】：科学通报. 2020,65(35)北大核心EICSCD
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
(网络版彩色)打印石墨烯天线置于不同曲率半径的圆柱体上的性能测试(a～d),以及可穿戴天线的性能测试(e,f).(a)未弯曲;曲率半径5.0(b)、3.5 (c)和2.5 cm (d).置于模特手腕处的柔性石墨烯天线照片(e),以及对天线相互接收和发射情况的测试结果(f)[42]
在不久的未来,柔性透明天线技术将更多地进入日常生活中,通过智能家居(建筑)、智能车窗等,为日常生活提供更多便利.如图1所示,将透明天线集成于眼镜片表面,既不影响视物,同时可将眼镜作为传感设备,用于监测环境温湿度、紫外线指数、空气质量等信号,实时反馈至智能终端;用户可通过远程发送指令到负载有柔性透明天线的智能镜子(玻璃)上,在实现镜子本身的用途基础上,实现除雾、播放音乐、显示室内温度等功能;透明柔性天线可用于智能交通领域,将其用于汽车玻璃,既不影响驾驶员的视线,还能实现当车辆行经高速公路收费站时不停车缴费,可以被装有射频识别(radio frequency identification,RFID)读取装置的路灯等设备识别,以实现实时定位的功能.实时、非侵入、透明并且兼具柔性的无线通信天线在未来具有非常广阔的应用前景.用于无线电子设备的柔性透明天线的研发仍是一个亟待解决的课题.目前市面上的传统天线主要由普通金属、合金或纳米颗粒(如银、铜或铝)制成[34,35].这类金属天线有很多局限性,如透明度低、易被腐蚀或氧化等.此外,就可穿戴柔性电子产品而言,天线对形状变化的容忍度是至关重要的,因为身体的运动和衣服的褶皱很容易导致天线发生形变[16,36],金属天线弯曲或折叠时,其阻抗会发生剧烈的变化,进而导致天线性能的减弱或丧失.在思考如何实现柔性和透明性的同时,还必须兼顾天线材料的高导电性和稳定性.因此,制作高性能的柔性透明天线是极具有难度的,这也是导致该领域发展缓慢的主要原因之一.导电聚合物[37]、碳纳米管[38～40]、石墨烯纸/墨水[41～44]、MoS2[45]和2D MXene[46]等新型材料已经率先尝试应用于柔性透明天线的研制,相应的性能参数列举在表1中.然而,它们的低导电性和低透明度仍然影响着天线的性能及其潜在的应用.
在众多透明材料中,银纳米线(silver nanowire AgNW)、氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)以及石墨烯薄膜吸引了广大研究者的关注.ITO是一种常见的透明导电材料,但其具有明显的脆性,弯曲时容易断裂,并且铟是一种非常稀少的元素[56,57],这些不足严重限制了ITO在柔性透明导电器件中的应用.AgNW旋涂于透明柔性基底上制得的AgNW膜,其具有良好的导电性、柔性和透光度,符合柔性透明天线材料的基础性能需求.但是,AgNW膜在潮湿环境中易被腐蚀[58],电导率不能保持长期稳定,导致基于AgNW膜的天线无法长期使用.单层石墨烯薄膜具有非常好的柔韧性[59]和透光度[3],满足了天线对柔性和透明的要求.然而,单层石墨烯薄膜的电导较低,无法满足对天线材料电导的需求.单独使用AgNW或石墨烯都无法获得稳定的、高质量的柔性透明天线.综合考虑以上因素,本课题组[47]最终选择石墨烯/银纳米线/乙烯醋酸乙烯酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(graphene/AgNW/EVA/PET)复合材料用于透明柔性射频天线的研制,构筑了一款基于graphene/AgNW的柔性透明天线(图5(a)).该复合材料的导电层包含一层单层的高质量、大单晶石墨烯薄膜其下方是AgNW,基底材料为乙烯醋酸乙烯酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(EVA/PET).我们采用乙烷作为碳源生长大单晶石墨烯薄膜,实现了毫米级尺寸、层数均匀且质量高石墨烯的快速制备,石墨烯单畴尺寸达2 mm.借助热压法和电化学鼓泡法,我们制备得到柔性透明导电复合材料graphene/AgNW/EVA/PET.该材料的拉曼光谱显示了石墨烯的特征峰(图5(b)),包括～1580 cm-1的G峰和～2700 cm-1的2D峰,而在～1350 cm-1未观察到明显的D峰,说明石墨烯薄膜被成功地转移到基底材料上.Graphene/AgNW/EVA/PET材料具有非常好的柔性,可以被轻松弯折(图5(c)),透光度高达75%(图5(d),(e)),面电阻为6Ω/sq(图5(f));该材料在室温以及潮湿环境下都具有很好的抗腐蚀性能.图3 (网络版彩色)打印石墨烯天线置于不同曲率半径的圆柱体上的性能测试(a～d),以及可穿戴天线的性能测试(e,f).(a)未弯曲;曲率半径5.0(b)、3.5 (c)和2.5 cm (d).置于模特手腕处的柔性石墨烯天线照片(e),以及对天线相互接收和发射情况的测试结果(f)[42]
【参考文献】：
博士论文
[1]可调谐天线及基片集成磁偶极子的研究[D]. 韦升俊.西南交通大学 2018
[2]人体中心网络可穿戴天线及传播特性研究[D]. 刘宁.北京邮电大学 2012
本文编号：3347021
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