新闻资讯

介绍

物联网将硬件连接到互联网上， 大地改善了我们的工作和生活。无线通信传感器，如柔性射频识别（RFID）天线，是实现物联网信息交换的重要组成部分。目前，天线材料主要以铝、铜、银等金属为基础，具有优良的导电性。然而，对于更宽的频谱和更高的频率，还需要解决两个关键问题：（1）趋肤效应，随着频率的增加，金属表面的电阻急剧增加，导致了在金属表面传播的电磁波的幅度急剧下降（2）小型化挑战大，随着天线的小型化，使用打印电路板（PCB）技术进行制造变得非常具有挑战性。喷墨打印具有快速沉积、高分辨率、数量和位置准确控制、操作程序简化、非接触直接打印等优点，可以解决上述小型化的技术问题，在电子设备的柔性应用中优势显著。

石墨烯由于其优异的化学和环境稳定性、机械柔韧性和电导率，在柔性电子领域显示出巨大的前景，与其他导电材料（如金属纳米线和金属纳米颗粒）相比，石墨烯材料可以克服现有材料的趋肤效应。活性喷墨打印（RIJ）是通过将两种活性组分交替打印在彼此的顶部来触发反应并形成产品，从而实现不可打印材料的原位形成，（如图1）氧化石墨烯悬浮液（Ink-A）和还原剂（Ink-B）交替沉积为“夹层结构”。由于喷墨打印技术对氧化石墨烯悬浮液和化学还原剂的准确控制，成功地实现了石墨烯图案的高电导率（2.69×10⁴Sm^-1）。将该技术应用于制造不同频段的石墨烯射频（RF）天线。测得回波损失和增益的DNS延迟为243ms，网络速度为4.64Mbps，与目前的商用移动电话天线（237ms和5Mbps）相当。这种方法结合了喷墨打印和石墨烯基材料的优点，并促进了天线的快速和经济有效的制造。同时提供了一种按需轻松地将石墨烯集成到各种柔性基板和电子设备中高效制造方式。

▲  图1

喷墨打印实验制备过程中所用设备为MicroFab的Jetlab 4xl-A ，喷头直径为80μm，在XY方向上的分辨率为5μm。喷射液滴的体积在50~150pL之间。氧化石墨烯油墨Ink-A（GO悬浮液）和还原剂油墨Ink-B（HI溶液）交替打印在PET基底上，然后加热到50或70 ℃，加速水的蒸发。

氧化石墨烯油墨的特性和可印刷性。如图2所示，（a）用氧化石墨烯油墨打印氧化石墨烯薄片的代表性AFM图像。（b）氧化石墨烯油墨的粒径和PDI。(c）石墨烯墨滴和HI墨滴在等离子体处理前后在PET上的接触角。上：GO墨滴；下：HI墨滴。（d）打印不同宽度的rGO线，从左到右分别为1、0.5、0.3、0.1mm。(e）0.1 mm线放大图像。（f和g）活性喷墨印刷还原前后的打印图案比较。（f）GO图案和（g）rGO图案。

▲  图2

打印的还原氧化石墨烯电路的电导率和机械耐久性测试。如图3所示，（a）由反应喷墨打印制备的LED条和rGO线组成的电路。（b）rGO线和LED条用导电铜胶连接。（c）显示打印的rGO线的电导率（功率:DC 5V）。（d）整个电路进行弯曲，如图所示，LED光条的亮度不受衬底弯曲的影响。（e-h）rGO线（5、10、20和30层）的绝对电阻和相对电阻随向内和向外弯曲循环的变化表明，由于弯曲，电阻下降了25%。（i-l）打印的20层rGO线在向内和向外弯曲10000次前后的SEM形貌图。

▲  图3

打印rGO偶极天线。如图4所示，（a）偶极子天线设计原理图和印刷天线。天线和馈线用导电铜胶连接。（b）红线和黑线分别为偶极天线模拟的和测量的共振峰。（c）偶极子天线的仿真图和实测图。（d）偶极子天线h面图的模拟图和实测图。（e）偶极天线e面图的实际场景。（f）偶极子天线h面图的实际场景。

▲ 图4

该天线显示了全向辐射，适用于具有随机定向终端的移动通信系统。为了验证rGO天线在智能手机中的完全兼容和功能，在rGO中设计了一个2.4G的WIFI天线，以取代智能手机中原来的WIFI天线(图5)。(a) 2.4 G天线设计示意图。(b) 2.4 G天线的实测共振峰|S11|。(c) rGO天线连接智能手机WIFI联系人。(d)连接rGO天线后，智能手机WIFI信号恢复。(e、f)手机内置天线与rGO天线性能对比，包括DNS时延、网络时延、网速测试。

▲ 图5

结论

应用喷墨打印技术在柔性衬底上制备还原氧化石墨烯图案,在等离子体处理过的PET薄膜上打印出分辨率为100μm的光滑导电线。打印石墨烯线的导电率可达2.69×104Sm-1此外，打印的还原氧化石墨烯图案具有优异的机械耐久性，适用于柔性电子器件。而且应用这种方法制造的移动电话WIFI天线的性能与商用移动电话天线相当。通过喷墨打印，可以为无线可穿戴设备制造任何形状的电子图案（如电子电路、天线、RFID标签和传感器）。因此，喷墨打印作为一种制造石墨烯基柔性电子器件的技术具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1] Lv Songwei,Ye Siyuan,Chen Chunling,Zhang Yi,Wu Yanhong,Wang Yiqing,Tang Runli,De Souza M. M.,Liu Xuqing,Zhao Xiubo. Reactive inkjet printing of graphene based flexible circuits and radio frequency antennas[J]. JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY C,2021,9(38).