Высокогибкий и проводящий печатный графен для беспроводных носимых устройств связи

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 18298 (2016) Цитировать эту статью

17 тысяч доступов

132 цитаты

120 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье мы сообщаем о высокой проводимости, гибкости, легкости и низкой стоимости печатного графена для беспроводных носимых устройств связи. В качестве доказательства концепции были спроектированы, изготовлены и охарактеризованы печатные линии передачи и антенны с использованием графена на бумажных подложках. Чтобы изучить его потенциал в портативных средствах связи, были экспериментально изучены механически гибкие линии передачи и антенны в различных изогнутых корпусах. Результаты измерений показывают, что напечатанный графен можно использовать для передачи, излучения и приема радиочастотных сигналов, что представляет собой некоторые из основных функций обработки радиочастотных сигналов в беспроводных носимых системах связи. Кроме того, напечатанный графен можно обрабатывать при низкой температуре, чтобы он был совместим с термочувствительными гибкими материалами, такими как бумага и текстиль. Эта работа приближает на шаг ближе к перспективе внедрения в ближайшем будущем недорогих и экологически чистых беспроводных носимых систем связи с использованием графена.

Беспроводная носимая связь является областью растущего исследовательского интереса из-за многочисленных возможностей, предлагаемых в таких областях, как здравоохранение и мониторинг фитнеса1,2, мобильная сеть/Интернет3, умная кожа4,5,6 и функциональная одежда7, и это лишь некоторые из них. Радиочастотный (РЧ) интерфейс является основным строительным блоком в любой системе связи, которая передает и принимает радиочастотные сигналы. РЧ-интерфейс включает в себя пассивные компоненты, такие как антенны, линии передачи (TL) и сети согласования импеданса, а также активные схемы, такие как усилитель мощности, малошумящий усилитель (LNA), смеситель частоты и гетеродин8, и это лишь некоторые из них. Традиционно радиочастотный интерфейс в основном собирается с использованием технологии печатных плат (PCB), что представляет собой серьезную проблему при интеграции с гибкими материалами, такими как бумага и текстиль4. Чтобы решить эту проблему, было предложено наносить металл на текстильную пряжу9,10. Однако в этих подходах, даже несмотря на то, что металлы наносились на гибкие подложки, процедуры изготовления были сложными и низкоэффективными, а используемые материалы были дорогими и не подходили для массового внедрения в недорогих беспроводных носимых устройствах. Серебряные нанопроволоки (AgNW), проводящие полимеры и углеродные нанотрубки также были разработаны для применения в носимой электронике. Хотя AgNW обладают высокой проводимостью11, для получения достаточно низкого поверхностного сопротивления для радиочастотных применений необходимо относительно толстое покрытие AgNW11,12 (230 для почти 11), что приводит к высокой стоимости массового производства, поскольку серебро дефицитно и дорого13. Что касается проводящего полимера, то хотя его можно использовать для изготовления гибкой электроники, такой как датчики, солнечные элементы, его проводимость слишком низка, чтобы его можно было использовать для передачи радиочастотных сигналов и излучения14,15. Проводящий полимер также ограничен химической и термической нестабильностью16. Углеродные нанотрубки с типичным сопротивлением листа выше 17,18 из-за высокого сопротивления соединения между перекрывающимися нанотрубками17,18 все еще недостаточно проводят проводимость, чтобы соответствовать практическим требованиям радиочастотных схем.

Однако графен, аллотроп углеродных нанотрубок, является очень многообещающим материалом для беспроводных носимых устройств связи благодаря своей высокой проводимости и уникальным свойствам5,19. На сегодняшний день исследователи интенсивно изучают возможности применения графена для создания активных устройств, таких как транзисторы и диоды. Четвертичный цифровой модулятор был создан с использованием двух графеновых транзисторов5. Усилители в радиочастотном диапазоне были экспериментально продемонстрированы с помощью графеновых полевых транзисторов20,21. Были также продемонстрированы другие активные устройства, такие как смеситель частоты22,23 и генератор24,25. Совсем недавно также сообщалось о монолитной графеновой интегральной схеме радиочастотного приемника (ИС), выполняющей усиление, фильтрацию и преобразование сигнала с понижением частоты26.