一种基于MXene高电导率薄膜材料的柔性超薄微带贴片天线制造技术

公开一种基于MXene高电导率薄膜材料的柔性超薄微带贴片天线，实现了便捷化的柔性微带天线的制备工艺，优化了天线的制备流程，降低了其制备难度与制造成本；同时，通过优化MXene材料的电导率特性，实现了对于MXene材料制备的天线的性能的提升。这种柔性超薄微带贴片天线，其结构包括：多种电介质基片、基于MXene超薄高电导率薄膜的天线接地面、图形化的微带馈线、图形化的微带天线贴片。MXene超薄高电导率薄膜是二维Ti3C2片层与银纳米线交叠结构，应用喷涂、滴涂或旋涂的方法喷涂于电介质基片表面。面。面。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MXene高电导率薄膜材料的柔性超薄微带贴片天线


[0001]本专利技术涉及柔性可穿戴技术与无线通信
，尤其涉及一种基于MXene高电导率薄膜材料的柔性超薄微带贴片天线，以及这种柔性超薄微带贴片天线的制备方法。

技术介绍

[0002]当今世界是信息化飞速发展的世界，5G技术、物联网(IoT)技术等蓬勃发展，移动通信设备越来越向着可穿戴化和便携化的方向不断演进，这对柔性、超薄且能够实现高度集成的无线通信元件提出了更高的要求。诸如生命健康监测、便携式射频标签等领域对柔性超薄无线通信元件已经有着极其旺盛的需求。如何在保证元件良好辐射性能的情况下制造出能够满足柔性、超薄需要的无线通信元件，这一问题具有极其广阔的研究前景。
[0003]天线是无线通信元件中最重要的一类元件，起到在自由空间中发射和接收电磁波的重要作用，因而实现天线的超薄化、柔性化和集成化有着极其重要的意义。微带贴片天线是由微带线组成的图形化导电结构、电介质衬底和接地平面组成的，其具有覆盖频率范围大(100MHz～50GHz都有应用)；体积小、重量轻；易实现共形，因此可以制作各种复杂形状的天线；天线较薄，易于实现超薄结构；制造成本低，易于大量制造等优点，因而是用于研究这类柔性、超薄无线通信元件的首选。
[0004]微带贴片天线领域已经有着十分深入的研究，传统的高性能微带贴片天线是基于传统高电导率金属(如铜、银、金、铝等)设计的，在诸如卫星通信、遥感探测、移动设备等领域已经得到了广泛应用。但对于集成微带射频器件或是形状复杂度较高的共形微带天线，金属材料的应用会受到其低柔性和制造工艺复杂的严重限制。因此，当前有两种路径对这一问题加以解决，第一条路径是通过改变金属的形态以提升其机械柔韧性，主要包括金属网、液态金属和金属油墨。例如，在柔性聚合物基底的空腔中注入共晶镓铟(EGaIn)流体合金以满足柔性微带天线的需求；或使用银、金和铜纳米颗粒悬浮液基于印刷工艺制造柔性混合电子器件(FHE)等等。但液态金属往往受其表面氧化物的影响，导致其电导率降低，影响天线的性能；金属油墨则往往由于其添加剂的影响导致其电导率的下降，同样影响其天线性能。其二则是通过选用具有导电性的一维或二维无机材料，例如石墨烯、碳纳米管、NbSe2等无机材料，但由于其较低的导电性，其制造的天线性能往往会受到电路导体损耗的影响，因此寻找一种新的制造工艺或是新的制作材料对于柔性微带天线的发展有着极其重要的意义。
[0005]2011年美国德雷塞尔大学的Yuri Gogotsi教授团队首次合成了二维过渡金属碳/氮化物(简称为MXenes)，一般化学式为，其中M代表3～6族过渡金属，X为碳和/或氮，T为终止基团(通常为—OH，—F或＝O)。常见的MXene材料化学式为Ti3C2Tx，其具有金属性，经过适当的处理可以达到接近金属的导电性。MXene材料因具有以下三大优点，因而成为制造柔性微带天线的优秀材料。其一，其具有较好的机械坚固性，能够较好的抵抗弯折；同时这一材料具有费米能级的高密度态和高电导率，适合于实现低接触电阻的互联，因而是较优秀的制造柔性天线的材料。其二，不论是有机溶剂体系还是水溶液体系，MXene薄片都具有较
好的溶液分散性，易于通过喷涂的方法制造天线图形，大大简化了微带贴片天线的工艺复杂度。其三，MXene具有的二维层状结构、可变的表面化学基团以及可调节的层间距，使其导电特性是可以调节的，为我们优化MXene材料的导电特性提供了便利。
[0006]Gogotsi团队于2018年首次提出了一种2.4GHz频段的Ti3C2Tx MXene偶极子天线，应用喷涂的方法在PET基底上制备了厚度为62nm～8μm的MXene天线，在50Ω条件下实现了良好的阻抗匹配。同时应用矢量网络分析仪测出的厚度为114nm～8μm的MXene天线回波损失为
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12dB～
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65dB，展示出了良好的性能。基于上述方法制备的厚度为1.4mm的MXene天线其增益能够达到1.7dB，在62nm厚度下天线增益虽然仅有
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7dB，但天线仍能够正常使用，证明MXene材料确实是制造柔性射频天线的理想材料。
[0007]Gogotsi团队于2020年进一步提出了在5.6GHz～16.4GHz的较高频段制备Ti3C2Tx MXene微带贴片天线的可能性，通过喷涂的方法在RT 5880基底上分别制造了不同厚度不同目标频率的MXene微带贴片天线。测试表明，在MXene天线厚度为5.5μm的时候，在5.6GHz、10.9GHz和16.4GHz时回波损耗分别达到
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29dB，
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25dB和
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48dB，且其在16.4GHz时的辐射效率为99％，与35μm厚的铜贴片天线相当，但其贴片厚度和重量均大大减小，展示出了极其优异的性能。同时该团队对于MXene贴片天线阵列进行了研究，发现在28GHz频段其阵列天线具有与铜贴片天线相接近的性能，揭示了MXene射频天线未来广阔的应用前景。
[0008]基于MXene材料的微带贴片天线目前已多有研究，主要集中于MXene微带天线的制备工艺、MXene微带贴片天线的结构设计和其辐射特性优化方面，但较少论及MXene材料的导电特性优化和天线性能提升的关系。鉴于MXene的片层结构，通过离子置换缩小层间距或是通过外源导电物质的掺杂以增强其层间导电性的方法可能能够达到较好的效果。选择热退火等方式可能也能达到同样的效果。MXene导电性能的提升对于制备接近常用铜微带天线性能的MXene天线具有巨大帮助，对未来实现器件的更新换代有着重要意义，值得进一步深入研究。

技术实现思路

[0009]为克服现有技术的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供了一种基于MXene高电导率薄膜材料的柔性超薄微带贴片天线，其实现了便捷化的柔性微带天线的制备工艺，优化了天线的制备流程；同时，通过优化MXene材料的导电率特性，实现了对于MXene材料制备的天线的性能的提升。
[0010]本专利技术的技术方案是：这种基于MXene高电导率薄膜材料的柔性超薄微带贴片天线，其结构包括：多种电介质基片、基于MXene超薄高电导率薄膜的天线接地面、图形化的微带馈线、图形化的微带天线贴片；
[0011]MXene超薄高电导率薄膜应用喷涂、滴涂或旋涂的方法喷涂于电介质基片表面。
[0012]还提供了一种柔性微带贴片天线的制备方法，其包括以下步骤：
[0013](1)以一定比例取MXene分散液与银纳米线分散液于烧杯中，摇匀；将其放置在超声多频清洗机中进行超声，以增强其分散性；得到用于薄膜制备的MXene与银纳米线(AgNW)共混分散液；
[0014](2)裁剪大小符合天线设计尺寸的电介质基片，置于培养皿中，使用无水乙醇对其进行浸泡与冲洗；清洗完毕后用氮气枪吹干其表面乙醇，将其放置在等离子清洗机中进行
O2 plasma清洗；清洗结束后将裁剪且处理好的电介质基片固定于培养皿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MXene高电导率薄膜材料的柔性超薄微带贴片天线，其特征在于：其结构包括：多种电介质基片、基于MXene超薄高电导率薄膜的天线接地面、图形化的微带馈线、图形化的微带天线贴片，MXene超薄高电导率薄膜应用喷涂、滴涂或旋涂的方法喷涂于电介质基片表面。2.根据权利要求1所述的柔性微带贴片天线，其特征在于：所述多种电介质基片包括PET、PMDS、FR
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4等电介质常数介于3
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6之间的材料，且厚度为0.5～2mm。3.根据权利要求2所述的柔性微带贴片天线，其特征在于：所述MXene材料天线接地面厚度为1～10μm。4.根据权利要求3所述的柔性微带贴片天线，其特征在于：所述MXene材料微带馈线及天线贴片厚度为0.5～10μm，且具有特殊图形结构。5.根据权利要求4所述的柔性微带贴片天线，其特征在于：所述MXene超薄高电导率薄膜是二维Ti3C2片层与银纳米线交叠结构。6.根据权利要求1所述的MXene超薄高电导率薄膜的喷涂制备方法，其特征在于：其操作方式为：使用电动喷枪将MXene分散液均匀的喷涂至电介质基片表面生成薄膜。7.根据权利要求1所述的MXene超薄高电导率薄膜的滴涂制备方法，其特征在于：其操作方式为：使用滴管将少量MXene分散液滴加在电介质基片上，待其中的水分蒸发后生成薄膜。8.根据权利要求1所述的MXene超薄高电导率薄膜的旋涂制备方法，其特征在于：其操作方式为：使用匀胶机将MXene分散液均匀分布在电介质基片上，利用烘箱或加热板使溶剂挥发干...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志方，郭毓麟，王晗，李斯腾，孙翊淋，丁英涛，陈志铭，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：