Yury Gogotsi《AM》：性能媲美商用铜天线，MXene基5G射频天线

来源：高分子科学前沿

【MXene基5G射频天线】

5G时代的便携式和可穿戴电子设备的爆炸式增长，对灵活、超薄且高度集成的无线通信组件有着巨大的需求。目前，射频(Radio Frequency, RF)设备（可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触的设备）仍然以金属材料为主。然而，对于具有高度紧凑或形状复杂的新兴柔性电子设备而言，金属材料不仅柔韧性差，且制备工艺复杂。

针对这个问题，美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi课题组设计制备了一种由新型二维材料MXene制成的天线，其频率为5.6 - 16.4 GHz。在16.4 GHz时，制备出的5.5μm厚的MXene贴片天线的辐射效率可达99%，与标准35μm厚的铜贴片天线的辐射效率相当，但是厚度仅仅是铜天线厚度的15%，重量约为铜的7%。在所有已知的新材料天线中，该MXene天线性能最优。此外，实际应用当中，MXene天线也与商用铜天线的性能相当（28Ghz）。MXene天线在宽频率范围内的通用性，加上灵活性、可扩展性和制备的简易性，有望用于各种柔性电子设备中的集成射频组件。该研究以题为“Solution-Processed Ti3C2Tx MXene Antennas for Radio-Frequency Communication”的论文发表在最新一期的《Advanced Materials》上。

通讯作者Yury Gogotsi表示，虽然商用的铜天线迄今为止仍然是性能最好的射频产品，但是金属材料本身的物理局限性如柔韧性差等，阻碍了金属天线的进一步发展。尤其是，在除了电话和计算机电路之外的等传统应用场景之外，如新兴的物联网应用等。

【湿法制备，廉价环保】

此外，在制造铜天线阵列时，需要对印刷电路进行蚀刻，这种方法仅仅适用于刚性基底。当采用柔性的聚合物基底时，蚀刻过程会对基底造成不可避免的损坏。第一作者Meikang Han表示，基于MXene材料的天线则没有这种顾虑。在制备过程中，MXene材料溶液水相溶液中，生成电子墨水，然后通过喷涂或是打印等方式沉积到柔性基底上，在不牺牲任何性能的情况下仍然能够保持柔韧性。更加重要的是，相较于蚀刻过程，这种湿法制备工艺更加适合大面积低成本的制备，且更加环保。

基于MXene材料的RF天线

【性能优异，媲美商用天线】

研究人员还在室内和室外环境下对MXene天线与铜天线的性能做了对比，采用电信常用的三个频段进行测试（包括一个典型的5G频段）。在每一个频段，MXene天线的性能与商用铜制天线的性能差异都限制在5％之内。且随着天线厚度的增加，天线辐射效率也随之上升。性能最佳时（商用铜天线的99%），其厚度仅为铜天线的1/7。

MXene天线的辐射效率

【柔韧性好，5000次弯折耐用】

除了性能明显优于其他几种新材料天线之外（包括银墨水，碳纳米管和石墨烯）。MXene天线经受多达5,000次弯曲循环之后仍然能保持其基本的电性能，耐久性十分优异。

5000次弯折测试

Gogotsi教授表示，MXene材料在制造业中的可扩展性和环境可持续性已得到充分确定，如果能够采用这种材料制备性能优异的电子器件目标，将会是一项重大发展。目前，课题组正在继续测试各种涂层图案和技术，同时进一步优化MXene材料的成分，以进一步优化天线的性能