Hochflexible und leitende, gedruckte Graphene für drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen,
In diesem Beitrag berichten wir über hochleitfähigen, hochflexibel, geringes Gewicht und niedrige Kosten gedruckt Graphen für die drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen. Als Beweis des Konzeptes, gedruckt Graphen aktiviert Übertragungsleitungen und Antennen auf Papiersubstraten wurden entworfen, hergestellt und charakterisiert. Um die Potenziale in tragbaren Kommunikationsanwendungen, mechanisch flexible Übertragungsleitungen und Antennen unter verschiedenen gebeugten Fällen wurden experimentell untersucht zu erkunden. Die Messergebnisse zeigen, dass der gedruckte Graphen kann für die HF-Signalübertragungs verwendet wird, Abstrahlen und Empfangen, die einige der wesentlichen Funktionen der RF Signalverarbeitung in der drahtlosen tragbaren Kommunikationssystemen darstellen. Weiterhin kann der gedruckten Graphen bei niedriger Temperatur verarbeitet werden, so dass es mit wärmeempfindlichen flexible Materialien wie Papiere und Textilien kompatibel ist. Diese Arbeit bringt einen Schritt näher an die Perspektive Graphen ermöglicht kostengünstige und umweltfreundliche drahtlose tragbare Kommunikationssysteme in naher Zukunft zu realisieren.
Einführung
Jedoch Graphen, die allotrope Kohlenstoff-Nanoröhrchen, ist ein sehr vielversprechendes Material für die drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit und einzigartigen Eigenschaften 5, 19. Bisher haben die Forscher die Anwendungen von Graphen zu machen aktive Vorrichtungen wie Transistoren und Dioden intensiv erforscht. Ein quaternäres digitaler Modulator erreicht wurde zwei Graphen Transistoren 5.e Verstärker bei RF-Bands unter Verwendung von 20 wurden experimentell mit Graphen-Feldeffekttransistoren 21 gezeigt. Andere aktive Vorrichtungen wie beispielsweise Frequenzmischer 22, 23 und der Oszillator 24, 25 wurden ebenfalls demonstriert. In jüngerer Zeit monolithischer Graphen HF-Empfänger integrierte Schaltkreis (IC) Durchführen einer Signalverstärkung, Filterung und Abwärtswandlung wird ebenfalls 26 berichtet.
Doch obwohl profunde Fortschritte in Graphen aktiven Geräten gemacht wurden, hat sich das Tempo der Entwicklung von Graphen passiven HF-Komponenten weit zurückgeblieben. Dies liegt daran, dass trotz der hohen Leitfähigkeit des Graphen, die beide abgeblättert und CVD (chemical vapor deposition) Graphenschichten besitzen eine sehr hohe Oberflächenfestigkeit, behindern ihre Anwendungen in der RF passiven Komponenten 27, 28. jüngste Entwicklung von Graphen leitfähiger Tinte hat jedoch zusammen mit seiner Überlegenheit in hohen Leitfähigkeit, mechanische Flexibilität, geringes Gewicht und niedrig Kosten 29 die Möglichkeit gebracht, 30, 31. Herstellung von Graphen leitfähigen Tinten können allgemein in zwei Gruppen eingeteilt werden. Eine davon ist bindemittelfreie Technik, die die Graphen direkt in Lösungsmitteln wie N-Methyl-2-pyrrolidon oder Dimethylformamid (NMP / DMF) dispergiert, ohne Zugabe von Bindemittel 31, 32. wohingegen die andere Verwendungen Bindemittel wie Ethylcellulose (EC) 29, 33. Auch wenn die letztere Technik höhere Leitfähigkeit bieten kann, ist es mit hohen Temperatur thermal annealing erfordert, ist es nicht kompatibel mit wärmeempfindlichen Substraten wie Papier und Textilien 18. Auf der anderen Seite, bindemittelfreien Technik Herstellung kompatibel mit wärmeempfindlichen Substraten dank sein Tieftemperaturglühen 32 jedoch viel weitere Verbesserung der Tinten Leitfähigkeit wird für HF-Anwendungen erforderlich ist.
Wir haben bindemittelfreie Technik entwickelt, die nicht nur mit wärmeempfindlichen Substraten wie Papier und Textilien kompatibel ist, sondern bietet auch eine hohe Leitfähigkeit und mechanische Flexibilität 34. Die Technik für den industriellen Maßstab Siebdruck richtet. Die gemessene Leitfähigkeit von dieser Technik erreicht 4,3 × 10 4 S / m, die fast doppelt so hoch ist 2,5 x 10 4 S / m aus zuvor RGO berichtet (reduzierte Graphenoxids) mit Bindemittel und 10-mal höher als die aus bindemittelfreien Verfahren 29 , 32. In diesem Bericht Dieser hoch leitfähigen gedruckten Graphen ist weiter genutzt Übertragungsleitungen und Antennen auf einem flexiblen Substrat, wie Papier, zu konstruieren. Die Leistungen dieser Komponenten, insbesondere unter unterschiedlichen Biegen Fälle werden experimentell in Kommunikationsfrequenzbänder, wie beispielsweise mobile zellulare und WiFi-Spektren untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass gedruckte Graphen aktiviert RF passive Komponenten Eigenschaft und Qualität für die drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen erwünscht ist. Zusammen mit den oben erwähnten Fortschritten von Graphen aktiven HF-Geräten, ein wirklich alle Graphen ermöglichte drahtloses tragbares Kommunikationssystem kann in naher Zukunft zu erwarten.
Gedruckte Graphen Herstellung und Charakterisierung
Abbildung 1: Schematische Darstellung des gedruckten Graphen und ihre Eigenschaften vor.
(A) Graphene nanoflake Tinte auf dem Substrat beschichtet ist, (b) Nach dem Trocknen hochporösem Graphen Nanoflocken Beschichtung bildet, (c) Sehr dichte gedruckt Graphen mit Kompression erhalten wird, (d) Leitfähigkeit und Oberflächenwiderstand unter verschiedenen Kompressionsverhältnissen. (E) Querschnitts-SEM-Bild der unkomprimierten Probe, mit einer Dicke um. (F) Querschnitts-SEM-Bild der Probe mit Verdichtungsverhältnis von 30%, mit einem durchschnittlichen Dicke um. (G) Querschnitts-SEM-Bild der Probe mit Verdichtungsverhältnis 73%, mit einer Dicke um. (H) Querschnitts-SEM-Bild der Probe mit Verdichtungsverhältnis 81%, mit einer Dicke um.
Gedruckte Graphen flexible Übertragungsleitungen aktiviert
TLs sind grundlegende Strukturen bezeichnete Signale zu übertragen und sind für HF-Schaltungen wesentlich oder in der Tat alle elektronischen cirucits 36. Als Beweis des Konzeptes haben wir entworfen und charakterisiert einige einfache gedruckte Graphen ermöglicht TL Strukturen ihre Realisierbarkeit Übertragung für HF-Signal zu untersuchen.
Die Leistung eines TL wird hauptsächlich durch Material und geometrische Parameter, wie beispielsweise Materialverluste, Substratmaterial Dielektrizitätskonstante, Linienlücken, Signalleitung und Dicke usw. der Einsatz in Fig bestimmt. 2 (a) zeigt zwei Proben von TLs mit unterschiedlichen Lücken zwischen Die Linien. Da es unter Verwendung von leitfähigem Epoxid zu sehen ist, wird ein SMA-Verbinder an jedem Port der Leitung angeschlossen. Die Länge der Leitungen ist, und die Zwischenräume sind und jeweils.
Abbildung 2: Performance der Übertragungsleitungen mit verschiedenen Linienlücken.
(A) Die Dämpfung der Übertragungsleitungen, und der Einsatz zwei Übertragungsleitungs Proben mit unterschiedlichen Linienlücken, und, bzw., und (b) Phasenkonstanten β der Übertragungsleitungen.
Die Streuparameter dieser Linien werden gemessen unter Verwendung von Agilent E5071B VNA (siehe Zusatz Fig. S1) und der Ausbreitungskonstante kann 37 unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet werden,
wobei α und β sind Dämpfungskonstante und Phase konstant sind. Um die Wirkung der Impedanzfehlanpassung zu eliminieren auf der Analyse Leiterverlust, Absorption Dämpfung, die als das Verhältnis der Leistung in den Eingangsport des Netzwerks über die Ausgangsleistung des Netzes eingegeben definiert ist, wird durch 38 berechnet.
Die Dämpfung ist modularisiert, um pro und in Abb. 2 (a). Man erkennt, dass je breiter der Linienspalt zu sehen ist, desto geringer ist die Dämpfung. Dies liegt daran, dass das elektromagnetische Feld hauptsächlich an Innenkanten der Linien konzentriert ist; kleinere Lücke macht intensiver das Feld, so verursacht mehr Leiterverlust. Allerdings ist es angemessen, dass die Linie Lücke darauf hinzuweisen, kann nicht willkürlich festgelegt werden, da sie die charakteristische Impedanz des TL bestimmt. Wie erwartet, erhöht sich die Dämpfung mit der Frequenz. Die relativ hohe Dämpfung in dieser TLs ist aufgrund der geringen Dicke des gedruckten Graphen. Dicke der gedruckten Graphen in diesem Bericht ist mit Leitfähigkeit. Seine Eindringtiefen von 2 GHz bis 8 GHz, sind zwischen an, was bedeutet, die gedruckte Graphen Dicke nur 14,3% bis 28,5% seines Skintiefe ist. Zur Verringerung der Dämpfung in praktischen Anwendungen normalerweise sollte Leiterdicke 3-5mal seine Eindringtiefe sein. die gedruckte Graphen Dicke zu erhöhen, ist ein effektiver Weg, geringere Dämpfung zu erhalten. Außerdem aus Fig. 2 (b). die Ausbreitungskonstante ist nahezu linear mit der Frequenz, enthüllt, dass es wenig Phasenverzerrung in der Graphen gedruckt TLs, die bei der praktischen Hochfrequenzanwendungen wünschenswert ist.
Abbildung 3: Un-gebogener, gebogen und verdreht Übertragungsleitungen und die Übertragungsleistungen.
RF / Mikrowellen-Antennen für die On-Körper tragbaren Kommunikationssystem
Antenne wird verwendet, RF-Signale in Kommunikationssystemen zu senden und empfangen. Für tragbare Kommunikationssysteme, sowohl mechanische Flexibilität und wirksame Strahlung gefordert. Zum ersten Mal, Nutzstrahlung bedruckter Graphen aktiviert flexible und leicht tragbar Antenne wird experimentell in Kommunikationsfrequenzbänder, wie beispielsweise mobile zellulare und WiFi-Spektren bewiesen. Abbildung 4 zeigt die gleiche gedruckten Graphen Antenne gebogen und geklebt auf Zylinder mit unterschiedlichen Radien für Flexibilität und Formanpassungstests. Figur 4 (a) veranschaulicht die un-gebogen Antenne und (b), (c) und (d) zeigt die Antenne auf Zylinder mit Radius befestigt ist. Die Antenne ist eine typische CPW gespeist Schlitzantenne und auf Papier gedruckt. Die Parameter der Antenne kann in Ergänzender Abb. S3 zu finden.
Abbildung 4: Gedruckte Graphen aktivierte Antenne auf Zylinder mit unterschiedlichen Radien gebogen, (a) un-gebogen, (b) gebogen mit r = 5,0 cm. (C) gebogen mit r = 3,5 cm und (d) gebogen mit r = 2,5 cm.
Die Reflexionskoeffizienten der Antenne unter diesen vier unterschiedlichen Biegen Fälle wurden unter Verwendung von VNA (Agilent E5071B) gemessen, und die Verstärkung wurde 39 zusammen in Abb Dreiantennen Verfahren erhalten werden. 5 (a). Es kann gesehen werden, dass, wenn die Antenne die Reflexionskoeffizienten S11 bei 1,97 GHz un-gebogen ist -18,7 dB, und ein anderer Peak bei 3,26 GHz mit -19,2 dB, einem guten Impedanzanpassung enthüllt. Der Reflexionskoeffizient ist unter -8 dB von 1,73 GHz bis 3,77 GHz, die die Bänder für Wi-Fi, Bluetooth, WLAN (Wireless Local Area Network) und Mobilfunkkommunikation umfasst. Die maximale Verstärkung beträgt 0,2 dBi bei 1,92 GHz und höher -1 dBi von 1,82 GHz bis 3,72 GHz, eine effektive Strahlung von der gedruckten Graphen-Antenne an den freien Raum zu demonstrieren. Mit dem Vergleich der Koeffizienten Reflexion zu unterschiedlichen Biegen Fälle entsprechen, kann man sehen, dass die Reflexionskoeffizienten die Biegung nicht empfindlich sind und nicht viel variieren. Die Impedanzanpassung Punkte sind nahezu unverändert. Jedoch ändert sich der Antennengewinn, insbesondere bei höheren Frequenzbereich. Dies liegt daran, der Antennengewinn durch Stromverteilung auf der Antenne bestimmt. Wenn die Antenne gebogen wird, wird die Stromverteilung verändert werden, was auf Antennengewinn Leistungen die Variation. Trotz dieser Verstärkung bei höherer Frequenzband um 3,26 GHz sichtbar verschlechtert mit zunehmender Biegung, um die Verstärkung bei niedrigerer Band um 1,9 GHz bis 2,2 GHz hat viel weniger Schwankungen. Dieses Frequenzband ist, in denen die drahtlose tragbare Kommunikationssystemen arbeiten. Die experimentellen Daten hier zeigen, dass selbst wenn die gedruckte Graphen Antenne gebogen wird, kann die Strahlung bei dieser Dieses Frequenzband immer noch wirksam sein.
Abbildung 5: Messergebnisse der gedruckten Graphen aktivierte Antenne auf Zylinder mit unterschiedlichen Radien gebogen, wie dies in Fig. 4; Dementsprechend Kurven (a-d) entsprechen un-Bend, gebogen mit einem Radius von 5,0 cm. 3,5 cm und 2,5 cm. beziehungsweise.
(A) Reflexionskoeffizienten und realisierten Gewinne und (b) Strahlungsmuster bei 1,97 GHz.
Bei der oben erwähnten Überprüfung für die Flexibilität und effiziente Abstrahlung der gedruckten Graphen ermöglicht Antenne, hier gehen wir einen Schritt weiter seine Potenziale im Bereich der drahtlosen tragbaren Kommunikationssysteme zu beweisen, indem sie ein wirkliches Leben Szenario in Fig präsentiert. 6 (a). Es zeigt einen On-Körper-Kommunikation Test-Setup. On-Körper-Kommunikation ist das Signal-Sende- / Empfangs zwischen on-Körper Netzwerken und Systemen 10, 40. Bei diesem Aufbau werden die Graphen-Antennen gebogen und befestigt auf Mannequin Hände HF-Signale senden / empfangen. Der Transmissionskoeffizient zwischen den beiden Antennen ist in Fig. 6 (b). Wenn der Abstand zwischen den beiden Antennen ist, ist der Transmissionskoeffizient von 1,67 GHz bis 2,87 GHz über -32 dB, die mehr als 20 dB höher als -55 dB über 3,8 GHz außerhalb des Bandes beobachtet. Die gemessenen Ergebnisse, dass die RF-Signalverifikations kann effektiv durch diese beiden Graphen Antennen abgestrahlt und empfangen werden.
Abbildung 6: Messung der Übertragung zwischen zwei auf dem Körper aufgedruckt Graphen aktivierte tragbare Antennen.
(A) Mess Einstellung der tragbaren Antennen auf Mannequin und (b) Übertragung zwischen zwei auf den Händen des Mannequin befestigt Antennen mit 0,5 m Abstand.
Diskussion
Wir haben hoch leitfähige und flexible gedruckte Graphen TLs und Antennen präsentiert Graphen unter Verwendung von Nanoflocken Ziel für eine drahtlose tragbare Kommunikationsanwendungen. Die Machbarkeit der Verwendung von gedruckten Graphen RF-Signale über Drähte senden / empfangen und drahtlos experimentell nachgewiesen wurde. Die überlegene Flexibilität der gedruckten Graphen aktiviert TLs und Antennen wurden mit Messungen unter verschiedenen Biege- und Verdrehungs Fällen vollständig verifiziert. Eine On-Körper-Signalübertragung auf Mannequin Antennen präsentiert auch zum Modell der Arme angepasst unter Verwendung von gedruckten Graphen wurde zum Abstrahlen und Empfangen von HF-Signalen drahtlos. Es ist klar ersichtlich, dass die Schall mechanische Flexibilität und wirksame Strahlung der gedruckten Antennen Graphen aktivierte erfolgreich die drahtlose Kommunikation auf dem Körper erleichtert haben. Diese Arbeit hat sich eindeutig, dass gedruckte Graphentransformations Veränderung zur Bildung von RF passive Komponenten bringen kann wie TLS und Antennen für tragbare Anwendungen. Darüber hinaus ist der Herstellungsprozess einfach und kostengünstig und somit geeignet für die kommerzielle Massenproduktion. In Kombination mit anderen profunden Vorteilen in leichter, mechanischer Flexibilität und Umweltfreundlichkeit, gedruckte Graphen kann für kostengünstigen Verbrauch tragbarer Elektronik ideal.
Vorbereitung der Proben
zusätzliche Information
Referenzen
Anerkennungen
Die Autoren möchten besonderen Dank geht an Dr. Simeon Gill von Fashion Technology Management, University of Manchester geben, Messungen Kommunikation Mannequin für on-Körper bei der Bereitstellung.
Informationen zum Autor
Zugehörigkeiten
School of Electrical and Electronic Engineering, University of Manchester, Manchester, M13 9PL, UK
- Xianjun Huang
- . Ting Leng
- . Xiao Zhang
- . Mohammed Aqeeli
- - Zhirun Hu
School of Physics and Astronomy, University of Manchester, Manchester, M13 9PL, UK
BGT Materials Limited, Photon Science Institute, University of Manchester, Manchester, M13 9PL, UK
- JiaCing Chen
- - KuoHsin Chang
Manchester Center für Mesoscience und Nanotechnologie, University of Manchester, Manchester, M13 9PL, UK
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Beiträge
X.H. die Proben entwickelt, um die experimentellen Vorrichtungen hergestellt, wobei die HF-Messungen führte analysierte experimentelle Daten, nahmen an Gesprächen, verfasst das Manuskript; T. L. X.Z. und M.A. nahm an RF Vorbereitung, Messungen und Diskussionen; M. Z. vorbereitet für einige Messungen und zum Teil auf die Schreib beigetragen. J.C.C. und K.H.C. die Proben hergestellt und getestet, um die Materialleistung; A.K.G. vorgesehen Vorschläge zu Projekt und Manuskript Schreiben; K.S.N. das Projekt koordiniert und zum Schreiben beigetragen; Z.H. paraphiert und das Projekt betreut, entwarf das Manuskript. Alle Autoren haben Zustimmung zu der endgültigen Fassung des Manuskripts gegeben.