Très flexible et Conductive Imprimé graphène pour les applications sans fil Wearable Communications,
Dans cet article, nous présentons très poids conducteur, très flexible, léger et à faible coût graphène imprimés pour les applications de communication sans fil portables. En tant que preuve de concept, graphène imprimés activé lignes de transmission et des antennes sur des substrats en papier ont été conçus, fabriqués et caractérisés. Pour explorer ses potentialités dans les applications portables de communication, lignes de transmission mécanique flexibles et antennes sous divers cas ont été expérimentalement étudiés bended. Les résultats des mesures montrent que le graphène imprimé peut être utilisé pour transmettre des signaux RF, de rayonnement et de réception, qui représente une partie des fonctionnalités essentielles de traitement de signaux RF dans les systèmes de communication portables sans fil. En outre, le graphène imprimé peut être traitée à basse température, de sorte qu'il est compatible avec des matériaux souples sensibles à la chaleur tels que des papiers et des textiles. Ce travail apporte un pas de plus à la perspective de mettre en œuvre graphène permis faible coût et des systèmes de communication sans fil portables respectueux de l'environnement dans un proche avenir.
introduction
Cependant, le graphène, l'allotrope de nanotubes de carbone, est un matériau très prometteur pour les applications de communication sans fil portables en raison de sa conductivité élevée et des propriétés uniques 5, 19. À ce jour, les chercheurs ont exploré les applications intensive de graphène pour fabriquer des dispositifs actifs tels que des transistors et des diodes. Un modulateur numérique quaternaire a été réalisé en utilisant deux transistors de graphène 5. Les amplificateurs à bandes RF ont été démontrés expérimentalement avec des transistors à effet de champ de graphène 20, 21. D'autres dispositifs actifs, tels que mélangeur de fréquence 22, 23 et de l'oscillateur 24, 25 ont également été démontrées. Plus récemment récepteur graphène RF monolithique de circuit intégré (IC) pour effectuer l'amplification de signal, le filtrage et la conversion vers le bas a également été rapporté 26.
Cependant, même si des progrès ont été réalisés dans des dispositifs actifs profonds graphène, le rythme de développement des composants RF passifs de graphène est bien en retard. En effet, malgré la forte conductivité du graphène, aussi bien exfoliée et CVD (dépôt chimique en phase vapeur) Les feuilles de graphène ont une très grande résistance à la surface, ce qui entrave leurs applications dans des composants passifs RF 27, 28. Cependant, le développement récent de graphène encre conductrice a apporté la possibilité ainsi que sa supériorité en haute conductivité, la flexibilité mécanique, poids léger et à faible coût 29, 30, 31. Préparation des encres conductrices graphène peut être généralement classés en deux groupes. La première est la technique sans liant qui disperse le graphène directement dans des solvants tels que le N-méthyl-2-pyrrolidone ou le diméthylformamide (NMP / DMF) sans ajouter de liant 31, 32. tandis que l'autre utilise des liants tels que la cellulose d'éthyle (EC) 29, 33. Même si cette dernière technique peut offrir une conductivité plus élevée, il faut recuit thermique à haute température, ce qui rend incompatible avec des substrats sensibles à la chaleur, comme les papiers et textiles 18. D'autre part, la technique sans liant est compatible avec des substrats sensibles à la chaleur grâce à son recuit à basse température 32. cependant beaucoup plus d'amélioration de la conductivité de l'encre est nécessaire pour les applications RF.
Nous avons développé la technique sans liant qui est non seulement compatible avec des substrats sensibles à la chaleur tels que des papiers et des textiles, mais offre également une conductivité élevée et la flexibilité mécanique 34. La technique est destinée à l'impression de l'écran à l'échelle industrielle. La conductivité mesurée à partir de cette technique atteint 4,3 x 10 4 S / m, ce qui est presque le double de 2,5 × 10 4 S / m précédemment RGO (réduction de l'oxyde de graphène) avec un liant et 10 fois plus élevé que celui de la méthode sans liant 29 , 32. Dans ce rapport, cette graphène imprimée hautement conducteur est en outre utilisé pour construire des lignes de transmission et les antennes sur un substrat flexible tel que du papier. Les performances de ces composants, en particulier sous différents cas de flexion, sont expérimentalement examinés dans les bandes de fréquences de communication, tels que les mobiles cellulaires et WiFi spectres. Les résultats démontrent que le graphène imprimé a permis des composants passifs RF ont souhaité la propriété et de la qualité pour les applications de communication sans fil portables. Ainsi que les progrès susmentionnés des dispositifs RF actifs de graphène, un système de communication sans fil portable vraiment tout permis graphène peut s'attendre dans un avenir proche.
Imprimé préparation et la caractérisation graphène
Figure 1: Représentation schématique de la préparation de graphène imprimé et ses caractéristiques.
(A) graphène encre nanoflake est revêtue sur le substrat, (b) Après séchage, le graphène hautement poreux nanoflakes formes de revêtement, (c) graphène imprimée à haute densité est obtenu par compression, (d) résistance à la conductivité et la surface sous différents taux de compression. (E) de l'image SEM en coupe transversale de l'échantillon non comprimé, avec une épaisseur d'environ. (F) de l'image SEM en coupe transversale de l'échantillon avec un rapport de compression de 30%, avec une épaisseur moyenne d'environ. (G) de l'image SEM en coupe transversale de l'échantillon avec un rapport de compression de 73%, avec une épaisseur d'environ. (H) de l'image SEM en coupe transversale de l'échantillon avec un rapport de compression de 81%, avec une épaisseur d'environ.
Imprimé graphène activé lignes de transmission flexibles
TLs sont des structures de base désignés pour transporter des signaux et sont essentiels pour les circuits RF, voire des cirucits électroniques 36. En tant que preuve de concept, nous avons conçu et caractérisé des graphène imprimés simples permis structures de TL pour étudier leur faisabilité pour la transmission de signaux RF.
La performance d'un TL est principalement déterminée par le matériau et les paramètres géométriques, tels que des pertes de produits, de matières de substrat constante diélectrique, les lacunes de ligne, l'épaisseur de la ligne de signal et etc. L'insert dans la Fig. 2 (a) représente deux échantillons de TLs avec des écarts différents entre les lignes. Comme on peut le voir, un connecteur SMA est connecté à chaque port de la ligne en utilisant époxy conductrice. La longueur des lignes est, et les lacunes et, respectivement.
Figure 2: Performances des lignes de transmission avec différents intervalles de ligne.
(A) Attenuation des lignes de transmission, et l'insert est de deux échantillons de ligne de transmission ayant différents intervalles de ligne, et, respectivement, et (b) des constantes de phase ß des lignes de transmission.
Les paramètres de diffusion de ces lignes sont mesurées en utilisant Agilent E5071B VNA (Voir Fig supplémentaire. S1) et la constante de propagation peuvent être calculées en utilisant les équations suivantes 37,
où α et β sont des constantes d'atténuation et de phase constant, respectivement. Pour éliminer l'effet de désadaptation d'impédance sur l'analyse de la perte de conducteur, l'atténuation d'absorption, qui est défini comme le rapport de la puissance est entré dans le port d'entrée du réseau sur la puissance de sortie du réseau, est calculée par 38.
L'atténuation est transformé en unités de par et affichées sur la Fig. 2 (a). On peut voir que plus l'écart de la ligne, plus l'atténuation. En effet, le champ électromagnétique est principalement concentrée à bords intérieurs des lignes; plus petit écart rend le champ plus intense, provoque donc plus de perte de conducteur. Cependant, il est digne de souligner que l'écart de ligne ne peut pas être défini de façon arbitraire car elle détermine l'impédance caractéristique de la TL. Comme prévu, l'atténuation augmente avec la fréquence. L'atténuation relativement élevée dans ces TLs est due à la faible épaisseur du graphène imprimé. L'épaisseur du graphène imprimé dans le présent rapport est une conductivité. Les profondeurs de peau, de 2 GHz à 8 GHz, sont compris entre à, ce qui signifie que l'épaisseur de graphène imprimé est seulement de 14,3% à 28,5% de sa profondeur de peau. Pour réduire l'atténuation dans les applications pratiques, normalement épaisseur de conducteur doit être 3-5 fois de la profondeur de la peau. L'augmentation de l'épaisseur de graphène imprimée est un moyen efficace pour obtenir une atténuation plus faible. En outre, à partir de la Fig. 2 (b). la constante de propagation est presque linéaire avec la fréquence, révèle qu'il ya peu de distorsion de phase dans la version imprimée graphène TLs, ce qui est souhaitable dans les applications RF pratiques.
Figure 3: Un-fléchie, et fléchie lignes de transmission tordues et leurs performances de transmission.
RF / antennes à micro-ondes pour portable système de communication sur le corps
L'antenne est utilisé pour envoyer et recevoir des signaux RF dans les systèmes de communication. Pour les systèmes de communication portables, la flexibilité mécanique et rayonnement efficace sont exigées. Pour la première fois, un rayonnement efficace de graphène imprimé souple activée et l'antenne portable est démontré expérimentalement dans des bandes de fréquences de communication, tels que les mobiles cellulaires et les spectres WiFi. La figure 4 montre la même antenne de graphène imprimé et collé sur fléchie cylindres de rayons différents pour les tests de flexibilité et conformabilité. La figure 4 (a) illustre l'antenne de non-fléchie et (b), (c) et (d) correspond à l'antenne fixée sur des cylindres de rayon, respectivement. L'antenne est une antenne à fentes typique alimenté CPW et imprimé sur du papier. Les paramètres de l'antenne peuvent être trouvés dans la Fig supplémentaire. S3.
Figure 4: Imprimé antenne permis de graphène plié sur des cylindres avec différents rayons, (a) non-plié, (b) cintré avec R = 5,0 cm. (C) cintré avec R = 3,5 cm et (d) cintré avec r = 2,5 cm.
Les coefficients de réflexion de l'antenne dans ces quatre cas de flexion ont été mesurées à l'aide VNA (Agilent E5071B), et le gain a été obtenu en utilisant le procédé à trois antenne 39. affichées ensemble sur la Fig. 5 (a). On peut voir que, lorsque l'antenne est non-plié le coefficient de réflexion S11 à 1,97 GHz est -18,7 dB, et un autre pic est à 3,26 GHz avec -19,2 dB, révélant une bonne adaptation d'impédance. Le coefficient de réflexion est sous -8 dB de 1,73 GHz à 3,77 GHz, qui couvre les bandes pour le Wi-Fi, Bluetooth, WLAN (réseau local sans fil) et les communications cellulaires mobiles. Le gain maximal est de 0,2 dBi à 1.92 GHz et au-dessus -1 dBi de 1,82 GHz à 3,72 GHz, ce qui démontre un rayonnement efficace de l'antenne de graphène imprimé à l'espace libre. Avec la comparaison des coefficients de réflexion correspondant aux différents cas de pliage, on peut voir que les coefficients de réflexion ne sont pas sensibles à la flexion et ne varient pas beaucoup. Les points d'adaptation d'impédance sont pratiquement inchangées. Cependant, le gain de l'antenne change, en particulier à la région de fréquence supérieure. En effet, le gain d'antenne est déterminée par la distribution de courant sur l'antenne. Lorsque l'antenne est fléchie, sera modifié la distribution du courant, ce qui conduit à une variation sur les performances de gain d'antenne. Malgré ce gain dans la bande de fréquence plus élevée autour de 3,26 GHz se dégrade visiblement avec l'augmentation de la flexion, le gain à bande inférieure d'environ 1,9 GHz à 2,2 GHz a beaucoup moins de variations. Cette bande de fréquences est l'endroit où les systèmes de communication sans fil fonctionnent faciles à porter. Les données expérimentales montrent ici que, même lorsque l'antenne de graphène imprimé est plié, le rayonnement à ce groupe cette fréquence peut encore être efficace.
Figure 5: Les résultats mesurés de l'antenne imprimée graphène activé plié sur des cylindres de rayons différents, comme représenté sur la figure 4;. En conséquence, les courbes (a-d) correspond à un coude, courbée avec un rayon de 5,0 cm. 3,5 cm et 2,5 cm. respectivement.
(A) des coefficients de réflexion et de gains et (b) des motifs de rayonnement à 1,97 GHz.
Avec la vérification ci-dessus pour la flexibilité et le rayonnement efficace du graphène imprimé antenne est activée, on y va un peu plus loin pour prouver son potentiel dans les systèmes de communication sans fil portables en présentant un scénario de la vie réelle représentée sur la figure. 6 (a). Il représente une configuration de test de communication sur le corps. Le corps communications est d'émission / réception entre les réseaux et les systèmes sur le corps 10, 40. Dans cette configuration, les antennes de graphène sont cintrés et attachés sur les mains de mannequin pour transmettre / recevoir des signaux RF. Le coefficient de transmission entre les deux antennes est représenté sur la Fig. 6 (b). Lorsque la distance entre les deux antennes est que le coefficient de transmission de 1,67 GHz à 2,87 GHz est supérieure à -32 dB, ce qui est supérieur à 20 dB supérieur à -55 dB observée hors bande au-dessus de 3,8 GHz. Les résultats des mesures de vérification que le signal RF peut être efficacement rayonnées et reçus par ces deux antennes de graphène.
Figure 6: Mesure de la transmission entre deux graphène imprimé sur le corps activé antennes portables.
(A) Réglage de mesure des antennes portables sur mannequin et (b) Transmission entre deux antennes fixées sur les mains du mannequin avec une séparation de 0,5 m.
Discussion
Nous avons présenté très conducteurs et TLs de graphène flexibles imprimés et les antennes en utilisant nanoflakes de graphène visant des applications de communication sans fil faciles à porter. La possibilité d'utiliser le graphène imprimé pour transmettre / recevoir des signaux RF par des fils et a été démontré expérimentalement sans fil. La flexibilité supérieure des imprimés graphène permis et les antennes TLs a été entièrement vérifié avec des mesures dans différents cas de flexion et de torsion. Un sur-corps de transmission de signal sur le mannequin a été également présenté en utilisant des antennes de graphène imprimés conforme aux bras du modèle de rayonnement et de réception de signaux RF sans fil. Il est bien évident que la souplesse mécanique et son rayonnement efficace des antennes graphène imprimées permis ont facilité avec succès les communications sans fil sur le corps. Ce travail a clairement prouvé que le graphène imprimé peut apporter un changement transformateur à la formation de composants passifs RF tels que TLs et antennes pour les applications portables. En outre, le processus de fabrication est simple et peu coûteuse et donc adaptée à la production de masse commerciale. Combiné avec d'autres avantages profonds dans la convivialité légère, la flexibilité mécanique et l'environnement, le graphène imprimé peut être idéal pour l'électronique portable consommables à faible coût.
Préparation des échantillons
Information additionnelle
Les références
Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier tout spécialement le Dr Simeon Gill de mode de gestion de la technologie, l'Université de Manchester, dans la fourniture de mannequin pour les mesures de communication sur corps.
Information sur l'auteur
affiliations
École de génie électrique et électronique, Université de Manchester, Manchester, 9PL M13, Royaume-Uni
- Xianjun Huang
- . Ting Leng
- . Xiao Zhang
- . Mohammed Aqeeli
- - Zhirun Hu
École de physique et d'astronomie, Université de Manchester, Manchester, 9PL M13, Royaume-Uni
BGT Materials Limited, Photon Institut des sciences, Université de Manchester, Manchester, 9PL M13, Royaume-Uni
- JiaCing Chen
- - KuoHsin Chang
Manchester Center pour Mesoscience et nanotechnologie, Université de Manchester, Manchester, 9PL M13, Royaume-Uni
Recherche de Xianjun Huang dans:
Recherche de Ting Leng dans:
Recherche de Mengjian Zhu dans:
Rechercher Xiao Zhang dans:
Recherche de JiaCing Chen dans:
Recherche de KuoHsin Chang dans:
Recherche de Mohammed Aqeeli dans:
Recherche de Andre K. Geim dans:
Recherche de Zhirun Hu dans:
Contributions
X.H. conçu les échantillons, a préparé les dispositifs expérimentaux, a conduit les mesures RF, a analysé les données expérimentales, ont participé à des discussions, rédigé le manuscrit; T.L. X.Z. et M.A. a participé à la préparation RF, des mesures et des discussions; M.Z. préparé pour certaines mesures et a contribué en partie à l'écriture. J.C.C. et K.H.C. préparé les échantillons et testé la performance matériel; A.K.G. formulé des propositions en projet et de l'écriture manuscrite; K.S.N. a coordonné le projet et a contribué à l'écriture; Z.H. paraphé et a supervisé le projet, rédigé le manuscrit. Tous les auteurs ont donné leur approbation à la version finale du manuscrit.