電子信息產(chǎn)業(yè)是全球產(chǎn)業(yè)中重要的組成部分,通訊產(chǎn)業(yè)是電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),而天線技術(shù)更是通訊產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ).石墨烯被預(yù)言是下一代邏輯器件的主要材料,同時(shí)由于其優(yōu)異的透光性和柔韌性,有望實(shí)現(xiàn)普通硅基材料所不能實(shí)現(xiàn)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(shù)的超高頻波段響應(yīng)、不同地區(qū)手機(jī)電磁波譜吸收頻段不同、物聯(lián)網(wǎng)追蹤以及透明防偽等技術(shù)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(shí)現(xiàn)了柔性和透明的結(jié)合,展現(xiàn)出優(yōu)異的性能和穩(wěn)定性.利用石墨烯帶隙可調(diào)特性和寬光譜吸收的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)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(shù)、構(gòu)型以及導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)天線多個(gè)頻譜的調(diào)節(jié),避免通過不同物理開關(guān)調(diào)控頻段所造成的復(fù)雜性,從而將不同天線整合在一個(gè)石墨烯天線系統(tǒng)內(nèi),大大降低天線占用器件內(nèi)部的體積并減少功耗.同時(shí),本課題組開發(fā)了可打印石墨烯墨水,設(shè)計(jì)并制備可調(diào)諧縫隙天線,通過外加電壓的方式,可以達(dá)到帶寬和諧振頻率的調(diào)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(diào)諧天線領(lǐng)域的進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié). 

【文章來源】：科學(xué)通報(bào). 2020,65(35)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：16 頁

【部分圖文】：

(網(wǎng)絡(luò)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(jié)果(f)[42]

在不久的未來,柔性透明天線技術(shù)將更多地進(jìn)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(shí)可將眼鏡作為傳感設(shè)備,用于監(jiān)測環(huán)境溫濕度、紫外線指數(shù)、空氣質(zhì)量等信號,實(shí)時(shí)反饋至智能終端;用戶可通過遠(yuǎn)程發(fā)送指令到負(fù)載有柔性透明天線的智能鏡子(玻璃)上,在實(shí)現(xiàn)鏡子本身的用途基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)除霧、播放音樂、顯示室內(nèi)溫度等功能;透明柔性天線可用于智能交通領(lǐng)域,將其用于汽車玻璃,既不影響駕駛員的視線,還能實(shí)現(xiàn)當(dāng)車輛行經(jīng)高速公路收費(fèi)站時(shí)不停車?yán)U費(fèi),可以被裝有射頻識別(radio frequency identification,RFID)讀取裝置的路燈等設(shè)備識別,以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位的功能.實(shí)時(shí)、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(yīng)用前景.用于無線電子設(shè)備的柔性透明天線的研發(fā)仍是一個(gè)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(chǎn)品而言,天線對形狀變化的容忍度是至關(guān)重要的,因?yàn)樯眢w的運(yùn)動(dòng)和衣服的褶皺很容易導(dǎo)致天線發(fā)生形變[16,36],金屬天線彎曲或折疊時(shí),其阻抗會發(fā)生劇烈的變化,進(jìn)而導(dǎo)致天線性能的減弱或喪失.在思考如何實(shí)現(xiàn)柔性和透明性的同時(shí),還必須兼顧天線材料的高導(dǎo)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(dǎo)致該領(lǐng)域發(fā)展緩慢的主要原因之一.導(dǎo)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(jīng)率先嘗試應(yīng)用于柔性透明天線的研制,相應(yīng)的性能參數(shù)列舉在表1中.然而,它們的低導(dǎo)電性和低透明度仍然影響著天線的性能及其潛在的應(yīng)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(guān)注.ITO是一種常見的透明導(dǎo)電材料,但其具有明顯的脆性,彎曲時(shí)容易斷裂,并且銦是一種非常稀少的元素[56,57],這些不足嚴(yán)重限制了ITO在柔性透明導(dǎo)電器件中的應(yīng)用.AgNW旋涂于透明柔性基底上制得的AgNW膜,其具有良好的導(dǎo)電性、柔性和透光度,符合柔性透明天線材料的基礎(chǔ)性能需求.但是,AgNW膜在潮濕環(huán)境中易被腐蝕[58],電導(dǎo)率不能保持長期穩(wěn)定,導(dǎo)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(dǎo)較低,無法滿足對天線材料電導(dǎo)的需求.單獨(dú)使用AgNW或石墨烯都無法獲得穩(wěn)定的、高質(zhì)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(fù)合材料用于透明柔性射頻天線的研制,構(gòu)筑了一款基于graphene/AgNW的柔性透明天線(圖5(a)).該復(fù)合材料的導(dǎo)電層包含一層單層的高質(zhì)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(shí)現(xiàn)了毫米級尺寸、層數(shù)均勻且質(zhì)量高石墨烯的快速制備,石墨烯單疇尺寸達(dá)2 mm.借助熱壓法和電化學(xué)鼓泡法,我們制備得到柔性透明導(dǎo)電復(fù)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(zhuǎn)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(dá)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(wǎng)絡(luò)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(jié)果(f)[42]

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]可調(diào)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(xué) 2018
[2]人體中心網(wǎng)絡(luò)可穿戴天線及傳播特性研究[D]. 劉寧.北京郵電大學(xué) 2012



本文編號：3347021