新型超薄噴塗天線應用於5G、物聯網和可穿戴設備

2021-01-09 中國航空新聞網

柔性的石墨烯基近場通信天線

桌面上的天線陣列

由MXene噴塗而成的天線

柔性碳納米管薄膜天線

據美國德雷塞爾大學官網近日報導，該校研究人員採用MXene材料開發出了可應用於5G的新型天線。這些天線非常薄，可以噴塗到物體表面，其性能與當今市場上大多數行動裝置中的銅質天線相差無幾，但厚度和重量遠遠小於銅質天線。

天線，是無線通信系統中非常重要的關鍵部件之一，通常用於發射以及接收無線信號。然而，傳統的天線大多數都是由銅等金屬材料製成，這樣的天線通常佔據較大的空間，而且非常僵硬，不具備柔性，也無法變得很薄，從而應用到任何物體表面上。

如今，可穿戴技術、植入式電子產品、5G、智能織物、物聯網等新興技術的蓬勃發展對於天線技術提出了更高的要求。因此，科學家們正在利用石墨烯、碳納米管、MXene等新型材料開發更輕、更薄、更具柔性、更低成本的新型天線。

與石墨烯、碳納米管一樣，MXene也是近年來備受學界廣泛關注的一種新材料。MXene是材料科學中的一類二維無機化合物。這些材料由幾個原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構成。MXene材料最早是在2011年由美國德雷克塞爾大學的Yury Gogotsi教授和Michel Barsoum教授共同指導博士生Michael Naguib通過HF選擇性刻蝕MAX相中的A原子層製備得到。最早被實驗製備也是目前研究最多的一類MXene就是Ti3C2Tx。

MXene的其獨特之處在於，能與液體（例如水和其他有機溶液）混合，同時保持導電性。因此，MXene可應用於能量存儲設備、電磁屏蔽、水過濾、化學感知、結構加固以及氣體分離等多個領域。

2018年，美國德雷塞爾大學工程學院研究人員報告了一種採用MXene材料噴塗製作超薄天線的新方法。該方法使安裝天線簡單得如同噴殺蟲水。在論文中，德雷塞爾大學研究人員將MXene天線與石墨烯、銀系油墨和碳納米管等新材料製成的天線進行對比，在保持無線電波傳輸質量方面，MXene天線勝過石墨烯天線50倍，勝過銀系油墨天線300倍。

近日，在之前研究的基礎上，德雷塞爾大學的研究人員採用MXene這種二維材料開發出了新型天線。這些天線非常薄，也非常堅固，可以被噴塗到特定位置。它可以在第五代（5G）移動裝置使用的帶寬上提供強勁的信號。這一研究成果將對移動、可穿戴和互聯的「物聯網」技術造成深刻影響。

德雷塞爾大學研發MXene天線已有兩年多時間，其性能與當今市場上大多數行動裝置中的銅質天線相差無幾，但好處是厚度和重量遠遠小於銅質天線。相關論文近期發表在《先進材料》（Advanced Materials）雜誌上。

論文領導作者、著名大學博士、德雷克塞爾工程學院材料科學與工程學巴赫教授Yury Gogotsi表示：「通信性能與超薄、柔韌性和耐用性的結合，為天線技術樹立了新的標準。雖然在相當長的一段時間內，銅天線一直是性能上最好的天線，但其物理局限性阻礙了互聯和移動技術取得許多人所預言的巨大飛躍。由於其性能獨特，MXene天線將在物聯網技術發展中起到推動作用。」

儘管目前移動通信公司正處於引入5G技術的風口浪尖，5G技術可以利用電信頻譜中較少使用的部分來實現更快的實時數據傳輸，但它很可能會成為新技術的標準工作範圍。

除了達到性能之外，未來設備的天線還必須能夠很好地適應電話和計算機電路板以外的各種環境。根據Gogotsi的說法，這使得MXene成為新天線令人感興趣的材料，因為它可以噴塗、絲網印刷或噴墨印刷到幾乎任何基底上，並且在不犧牲性能的情況下保持柔性。

A.J. Drexel納米材料研究所的博士後研究員Meikang Han博士表示：「一般來說，銅天線陣列是通過蝕刻印刷電路板來製造的，這項工藝在柔性基底上很難施展。這就使MXene具有明顯的優勢，因為它在水中分散，從而製造出一種油墨，可以噴灑或列印到建築牆壁或柔性基底上，以製造天線。」

在論文中，研究人員報告了三套噴塗MXene天線的性能，這些天線比類似的銅天線薄7~14倍，輕15~30倍，甚至比一層油漆還要薄。他們在實驗室和開放環境中對天線的關鍵性能（增益、輻射效率和定向性）進行了測試，以衡量天線如何有效地將電力轉化為定向波。他們在電信常用的三個無線電頻率下進行了測試，其中一個是5G設備工作的目標頻率。

在每個實例中，MXene天線的性能都在銅天線的5%偏差之內，性能隨著天線厚度的增加而增強。性能最好的MXene貼片天線，厚度約為標準銅天線的七分之一，在開放環境下，其效率是工作在16.4GHz頻率下的銅天線的99%。MXenes的效率也是工作在5G帶寬的銅天線的98%。

它們的性能超過了其他幾種正在考慮應用於天線的新材料，包括銀油墨、碳納米管和石墨烯。而且，比較顯著的是，當MXene天線經受多達5000次的彎曲循環之後，這些性能數據並沒有改變，這是一個遠超同類材料的耐久性標誌。

Gogotsi表示：「MXene在製造過程中的可擴展性和環境可持續性都是久經考驗的，因為這種材料實現了現今市場上最佳材料的性能目標，這當然是一個重大進展。隨著我們繼續測試各種塗層圖案和技術，同時進一步優化MXene材料的成分，我希望它們的性能可以持續改善。」

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