Sprühantenne: Miniatur, flexibel und leistungsstark

Das 21. Jahrhundert ist voller interessanter und manchmal unglaublicher Erfindungen. Buchstäblich jeden Tag erscheint etwas Neues, das verspricht, unser Leben mit Ihnen zu verbessern. Eine dieser Innovationen ist das Internet der Dinge, bei dem verschiedene physische Objekte um uns herum miteinander kommunizieren und ein bestimmtes Netzwerk bilden können. Ihr Kühlschrank verfügt beispielsweise über eine Liste von Produkten, die Sie über das Internet kaufen möchten. Er kann diese Informationen auf Ihren Computer übertragen, der die Bestellung aufgibt. Es klingt extrem ungewöhnlich, ist aber absolut real. Es muss jedoch eine stabile Verbindung zwischen den Geräten hergestellt werden, und dazu ist es notwendig, bestimmte in sie einzubauen, insbesondere kann einer dieser Teile eine Hochfrequenzantenne sein. Heute werden wir über eine neue Form dieses Teils sprechen, die buchstäblich aus einer Spritzpistole besteht, die normalerweise auf Wände oder Autos gemalt wird. Woraus diese Antenne besteht, welche Eigenschaften und Eigenschaften sie hat, wie sie zur Entwicklung des Internet der Dinge beitragen wird - wir werden im Bericht der Forscher nach Antworten auf diese und andere Fragen suchen. Lass uns gehen.

Die Essenz der Studie

Forscher lenken unsere Aufmerksamkeit sofort darauf, wie die Dinge jetzt mit Antennen sind. Die meisten von ihnen bestehen aus Metallen (Kupfer, Silber, Aluminium), was logisch ist, da solche Substanzen ausgezeichnete Leiter sind, und dies ist äußerst wichtig für die effiziente Übertragung von Funkwellen. Es gibt jedoch einen Faktor, der die Fähigkeiten von Metallantennen einschränkt. Dies ist ein Oberflächeneffekt, der die Dicke des Materials bestimmt, über das ein elektrischer Strom effizient fließen kann.


Ein vereinfachtes Schema des Konzepts des Oberflächeneffekts.

Forscher nennen Kupfer als Beispiel. Bei einer Frequenz von 2,4 GHz (normalerweise für Wi-Fi oder Bluetooth) beträgt der Oberflächeneffekt von Kupfer 1,33 μm. Silber hat 1,29 Mikrometer und Aluminium hat 1,67 Mikrometer. Daher muss die Dicke der aus diesen Materialien hergestellten Antennen mindestens 5 Mikrometer betragen, damit sie effektiv arbeiten können.

Aber wenn es darum geht, Geräte zu minimieren, scheinen solche Abmessungen nicht mehr so ​​klein zu sein, sondern im Gegenteil.

Wissenschaftler haben die Existenz einer Technologie zur Herstellung von Metallfasern nicht vergessen, aber diese Methode ist sehr zeitaufwändig und teuer. Daher brauchen wir eine neue Basis für Antennen, die sich grundlegend von ihren Vorgängern unterscheidet, effizient, schnell in der Produktion und natürlich kostengünstig sein kann. Und eine solche Basis kann genau MXene sein.

Material für zukünftige Antenne

Hochfrequenzantennen bestehen häufig aus Metall, aber es ist äußerst schwierig, aus einem solchen Material eine dünne, leichte und flexible Antenne herzustellen. Und wir erinnern uns, dass die Minimierung der Größe von Geräten und ihrer Details einer der Entwicklungspunkte jeder Technologie ist. Das Problem der physikalischen Größe und Form kann durch moderne Nanomaterialien wie Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und leitfähige Polymere gelöst werden. Solche Materialien haben jedoch eine eher geringe Leitfähigkeit, was ihre Anwendung stark einschränkt.

Wenn Sie aus den verfügbaren Materialien nicht das ideale Material finden, können Sie selbst eines erstellen. Auf diese Weise sind Wissenschaftler gegangen. Die Basis der neuen Antennen war zweidimensionales Titancarbid (TiC), das im Bericht auch eine andere Bezeichnung hat - MXene * .

MXene * - oder Maksens ist eine Klasse zweidimensionaler anorganischer Verbindungen.

Die MXen-Base war Titan-Aluminiumcarbid (Ti ₃ AlC ₂ ), von dem die Al-Atomschicht durch selektives Ätzen * entfernt wurde .

Selektives Ätzen * ist eine Methode zum Entfernen einer bestimmten Komponente aus einem Substanzsystem.

1 g Ti ₃ AlC ₂ -Pulver wurde allmählich zu 10 ml einer Lösung gegeben, die aus 6 ml Salzsäure, 3 ml 49% iger Flusssäure und 1 ml entionisiertem Wasser bestand. Die resultierende Mischung wurde 10 Minuten in ein Eisbad (Kühlbad) gegeben und dann kontinuierlich 24 Stunden gerührt.

Nach dem Ätzprozess wurde die Mischung 5 Mal durch Zentrifugation (3500 U / min, 2 Minuten pro Lauf) gereinigt, bis der pH 7-6 erreichte. Als nächstes wurde der resultierende Niederschlag zu einer kalten Lösung von Lithiumchlorid (20%) und Wasser (80%) gegeben. Dann weitere 10 Minuten in einem Kühlbad und 4 Stunden Rühren bei Raumtemperatur.

Das ist noch nicht alles. Der nächste Schritt wurde dreimal wiederholt, um eine dunkle Farbe zu erhalten, die den Beginn des Trennprozesses markiert.

So wird die Basissubstanz synthetisiert. Jetzt müssen Sie es auf ein 4 mil dickes PET-Substrat (thermoplastisches Polyethylenterephthalat) auftragen (1 mil = 1/1000 ″). PET wurde aufgrund seiner Flexibilität und Transparenz verwendet.

Vor dem Auftragen von MXene auf das Substrat musste es vorbereitet werden. Das Substrat wurde zuerst 3 Minuten lang durch Ultraschall in einer 5% igen * Hellmanex III- Waschmittellösung gereinigt. Darauf folgte eine weitere Stufe der Ultraschallreinigung (ebenfalls 3 Minuten), jetzt jedoch in entionisiertem Wasser und in Ethanol 190 (95% reines nicht denaturiertes Ethanol und 5% H ₂ O).

Waschmittel * - eine Substanz mit hoher Oberflächenaktivität, daher wird sie zur Reinigung, Desinfektion oder Auflösung verwendet. Die Art und Weise, wie wir das Geschirr spülen, kann als Waschmittel bezeichnet werden.

Anschließend wurde das Substrat unter Verwendung von Druckluft getrocknet und 5 Minuten durch Sauerstoffplasma und einen O 2 -Fluss von 4 cm ³ / min gereinigt. Dies ermöglichte es, Restverunreinigungen zu entfernen und den Grad der Hydrophilie * der Oberfläche zu erhöhen.

Hydrophilie * - übertrieben, die Fähigkeit des Objekts, Wasser aufzunehmen. Ein Badeschwamm ist ein Paradebeispiel für Hydrophilie. Im Gegensatz dazu besteht Hydrophobie, wenn ein Objekt Wasser abweist, wie ein Regenschirm im Regen.


Hydrophilie als Beispiel dafür, wie ein getrockneter Schwamm Wasser aufnimmt.

Als Werkzeug zum Auftragen von MXene auf PET ist ein gewöhnliches Spritzgerät (Spritzpistole für diejenigen, die mehr verdrehte Namen mögen) geworden.

Forschungsergebnisse

Als Ergebnis des obigen Herstellungsverfahrens wurde eine stabile wässrige kolloidale Lösung * mit Ti ₃ C ₂ -Flocken erhalten.

Eine kolloidale Lösung * - tatsächlich ist es etwas zwischen einer echten (homogenen) und einer grob dispergierten Lösung, wenn kleine Partikel einer der Bestandteile darin vorhanden sind.

Bild Nr. 1

1a zeigt schematisch die oben genannten Ti ₃ C ₂ -Nanoflocken. Es werden auch Optionen zum Aufbringen dieser Substanz auf ein Substrat gezeigt: Filtration (Filtration) und Sprühen (Sprühen). In dieser Studie wird der zweiten Option zur Erstellung von Filmen Aufmerksamkeit geschenkt, die die Grundlage für neue Antennen bilden. Die Filmdicke beträgt nicht mehr als 1,4 Mikrometer, wenn Sie die Anwendung durch Sprühen auftragen. Wenn Sie Filtration anwenden - mehr als 1 Mikron.

Der Vorteil des Sprühens besteht auch darin, dass eine Ti ₃ C ₂ -Schicht mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 & mgr; m auf die raue Oberfläche eines PET aufgebracht werden kann, wenn das Substrat mit Sauerstoffplasma vorbehandelt wird. Die Filtration liefert solche Ergebnisse nicht, wenn sie auf PET angewendet wird.

Bild 1b zeigt Fotografien von Hertz-Dipolen (Antennentyp) aus MXene mit einer Dicke von 62 nm (Probe oben) und 1,4 μm (Probe unten).

1c ist ein REM-Bild (Rasterelektronenmikroskop), in dem wir sehen können, wie Ti ₃ C ₂ -Flocken (rote gestrichelte Linien) auf der Oberfläche des Substrats verteilt sind (Draufsicht) und wie die MXene-Schicht das Substrat verbirgt (Seitenansicht).

1d zeigt die Ergebnisse der Röntgenbeugungsanalyse von Proben, die auf zwei Arten erzeugt wurden: Vakuumfiltration und Sprühen. Die schwarze Linie ist der Film nach der Vakuumfiltration und die rote Linie ist nach der Wärmebehandlung im Vakuum bei einer Temperatur von 150 ° C. Die schwarze gestrichelte Linie ist ein 1,4 & mgr; m Film nach dem Sprühen und die rote gestrichelte Linie nach zusätzlicher Verarbeitung im Vakuum bei 150 ° C.

Im Falle der Filtration verschob die Vakuumbehandlung den (002) -Peak von 6,8 ° auf 8,3 °. Und beim Sprühen - von ~ 5 ° bis 6,1 °.

Ein äußerst wichtiger Indikator für eine Substanz im Zusammenhang mit Hochfrequenzschaltungen ist der Widerstand der Filmoberfläche. In Grafik 1e sehen wir unterschiedliche Widerstandsindizes für unterschiedliche Filmdicken, die durch Vierpunkt-Widerstandsmessungen erhalten wurden. Bei einer Filmdicke von 1,4 µm erreichte der Widerstand 0,77 ± 0,08 Ohm pro Quadrat. Wenn der Film 62 nm dick war, betrug das Ergebnis 47 ± 8 Ohm pro Quadrat und die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 550 nm betrug 49%.

Eine wichtige Beobachtung dieser Analyse ist die Tatsache, dass der Widerstand bei Erreichen einer Dicke von ≤ 100 nm zunimmt. Dies ist nach Ansicht der Forscher höchstwahrscheinlich auf die Diskontinuität der Bindungen zwischen einzelnen Ti ₃ C ₂ -Nanoflocken zurückzuführen, die auf die Ungenauigkeit des manuellen Sprühens zurückzuführen ist.


Probe nach dem Sprühvorgang.

Forscher, und wir haben bereits die Eigenschaften des Materials untersucht. Der nächste Schritt besteht darin, die Funktionsfähigkeit von Geräten zu überprüfen, die auf der Basis von MXene-Material erstellt wurden.

Es wurden 3 Geräte hergestellt, um bestimmte Parameter zu testen:

• Hertz-Dipol zur Überprüfung der Strahlungseigenschaften;
• Übertragungsleitung zur Überprüfung der Wellenausbreitung;
• Ein RFID-Tag (Radio Frequency Identification) zur Untersuchung der Rückstreuung, wenn eine Welle zur Quelle zurückreflektiert wird.

Bild Nr. 2

Halbwellendipolantennen sind in verschiedenen Bereichen (Rundfunk, Mobiltelefone, drahtlose Verbindungen usw.) äußerst verbreitet, da sie Wellen in alle Richtungen ausbreiten. Daher wurde dieser Antennentyp ausgewählt, um die Welleneigenschaften zu testen.

Abbildung 2a zeigt ein Diagramm einer solchen Antenne aus dem getesteten MXene mit einer Frequenz von 2,4 GHz. Die Gesamtlänge des Dipols beträgt 62 nm, was der halben Wellenlänge bei dieser Betriebsfrequenz entspricht. Die wichtigsten Indikatoren, die analysiert wurden, waren die Rückflussdämpfung und die Strahlungseigenschaften.

Die Rückflussverlustraten variieren je nach Dicke: von –12 Dezibel bei 114 nm bis –65 Dezibel bei 8 μm. Es ist deutlich zu sehen, dass der Rückflussverlust mit der Verdickung der Antenne zunimmt. Die Forscher weisen auf die Beziehung zwischen diesem Trend und der Korrelation von Dicke und Oberflächenwiderstand hin, wie bereits erwähnt. Es wird auch angemerkt, dass die Rückflussdämpfung direkt von Widerstandsänderungen aufgrund unterschiedlicher Längen abhängen kann, die abnehmen, wenn die Antenne dünner ist. Dies ist wiederum auf die manuelle Methode zum Aufsprühen von MXene auf ein Substrat zurückzuführen.

2b sind Messungen des Reflexionskoeffizienten (S ₁₁ ) einer Dipolantenne verschiedener Dicken (von 114 nm bis 8 & mgr; m). Messungen des Stehwellenkoeffizienten, die zeigen, wie effizient die Leistung an die Antenne übertragen wird, und die Impedanzanpassung sind in Grafik 2c dargestellt . Schwarze Quadrate sind das getestete MXene, rote Kreise sind Kupfer und blaue Rauten sind Aluminium.

Die Strahlungsrichtwirkung der Dipolantenne wurde in einer speziellen schalltoten Kammer gemessen, und die Vivaldi-Antenne fungierte als Signalempfänger. Eine Ansicht des Testraums ist in Bild 2d dargestellt .


Ein Beispiel für eine Vivaldi-Antenne.

In der nebenstehenden Grafik ( 2e ) sehen wir bereits das Strahlungsmuster der MXene-Antenne mit einer Dicke von 8 μm. Schließlich ein 2f- Diagramm, das die maximale Richtwirkung der MXene-Antenne zeigt.

Die Forscher stellen ein sehr wichtiges Merkmal der neuen Antenne fest, ihren Reflexionskoeffizienten. Dieser Indikator betrug -65 dB für eine Antenne mit einer Dicke von 8 μm, was viel besser ist als der von Antennen aus anderen Nanomaterialien mit entsprechender Dicke.

Selbst bei einer Dicke von 1,4 μm ist der resultierende Koeffizient (-36 dB) besser als bei Antennen von 7 μm aus bedrucktem Graphen, laminiertem Graphen oder Silbertinte.


Bild Nr. 3

Nun fahren wir mit dem Testen des zweiten Geräts vom Testmaterial zur Übertragungsleitung fort. Dies ist eine sehr wichtige Hauptkomponente verschiedener HF-Geräte. Sie werden benötigt, um Hochfrequenzsignale mit minimalem Energieverlust von Punkt A nach Punkt B zu übertragen.

Aus der ganzen Vielfalt der zu testenden Übertragungsleitungsarten wurde eine ausgewählt - ein Streifenwellenleiter. In einem solchen Wellenleiter breiten sich elektromagnetische Wellen entlang zweier oder mehrerer Leiter aus, die sich in derselben Ebene befinden. Das Layout und Aussehen des Wellenleiters ist in Bild 3a dargestellt . Das Signal wird entlang des Mittelleiters (1,7 μm breit) übertragen, und zwei an den Seiten in einem Abstand von 0,5 μm sind geerdet.

Der Test wurde mit Wellenleitern mit einer Dicke von 62 nm bis 8 μm sowie den bisherigen Testpersonen - Dipolantennen - durchgeführt. Mit abnehmender Dicke nahm der Dämpfungskoeffizient zu, wie in Grafik 3b zu sehen ist. Grafik 3c zeigt jedoch, dass die gemessenen Daten fast vollständig mit den im Voraus berechneten übereinstimmen.

Die Flexibilität eines solchen Wellenleiters ( 3d ) wurde ebenfalls getestet. Das Ändern der Form des Wellenleiters führte zu keinen Änderungen seiner Eigenschaften, was MXene zu einem hervorragenden Material für flexible, kompakte Geräte macht. Bei konstanter Biegung wird jedoch eine Erhöhung des Oberflächenwiderstands um 14% beobachtet, die durch Anwendung des Zentrifugationsverfahrens zur Ablagerung von Ti ₃ C ₂ auf dem Substrat gelöst werden kann, wodurch eine gleichmäßigere Verteilung der Nanoflocken auf der Oberfläche ermöglicht wird.

Als nächstes verglichen die Forscher die Dämpfungskoeffizienten ihrer Erzeugung mit denen, die zuvor erzeugt wurden. Somit ist bei 1 GHz der MXene-Dämpfungskoeffizient (1,4 & mgr; m) 50-mal kleiner als der eines 7,7 & mgr; m dicken Graphenwellenleiters und 300-mal kleiner als der eines Silbertintenwellenleiters. Details des Vergleichs sind in Grafik 3e zu sehen.

Abschließend wurde das dritte MXene-basierte Gerät, das RFID-Tag, getestet.


Bild Nr. 4

4a zeigt das Diagramm und das Funktionsprinzip der RFID-Antenne. Grafik 4b zeigt die Downlink-Lesedistanzen von drei verschiedenen RFID-Antennen. Alle drei Proben weisen eine Lesereichweite von 6 m auf. Bei Erreichen der maximal passenden Eingangsimpedanz des RFID-Chips erweitert sich die Reichweite auf 8 m.

Die obigen Indikatoren sind äußerst ermutigend, aber Ti ₃ C ₂ hat einen wichtigen Nachteil - die Oxidation. Ti ₃ C ₂ -Nanometerflocken sind nur in einer inerten Atmosphäre absolut stabil. In dieser Studie wurde Argon (Ar) verwendet. Wenn der Film in ein sauerstoffhaltiges Medium eintritt, beginnt er langsam zu kollabieren. Messungen zeigten, dass Ti ₃ C ₂ 70 Stunden lang seine Eigenschaften in normaler Luft beibehält. Dies gilt für einzelne Flocken, individuell. Wenn es viele von ihnen gibt und sie Gruppen bilden, kann ein solcher Satz von Nanoflocken bis zu 30 Tage lang ohne negative Veränderungen in der Luft existieren. Dies liegt an ihrer Genauigkeit, da sie eng nebeneinander liegen und den inneren Teil vor Oxidation schützen, wodurch sich ihre Lebensdauer verlängert.

Laut Wissenschaftlern ist es derzeit möglich, das Problem der Oxidation zu lösen, indem Teile auf der Basis von Ti ₃ C ₂ laminiert oder in versiegelten Vorrichtungen platziert werden.

Einzelheiten zu Berechnungen, Tests und Messungen finden sich im Bericht der Wissenschaftler und in zusätzlichen Materialien dazu.

Nachwort

Das obige Material verdient aufgrund seiner Eigenschaften gemäß Tests und Tests besondere Aufmerksamkeit. Leichtigkeit, Flexibilität, geringe Größe und gleichzeitig gute Leistung sind die Faktoren, die in Zukunft viele Unternehmen anziehen können. Die Geräte um uns herum werden schlauer, einige werden kleiner. Wenn Sie die Größe von etwas ändern, erwarten Sie eine Verschlechterung seiner Eigenschaften. Aus diesem Grund arbeiten viele Forschungsgruppen daran, neue Geräte, neue Teile, neue Materialien oder deren Synthese zu entwickeln. Alles, damit die Produktivität zukünftiger Technologien nicht von ihren physikalischen Eigenschaften oder der Umgebung ihrer Verwendung abhängt.

Außerdem die „Antenne vom Zerstäuber“ - die Phrase selbst klingt so futuristisch, wie Isaac Asimov es sich hätte vorstellen können. Aber nichts wird moderne Wissenschaftler überraschen. Im Gegenteil, sie sind es, die nicht aufhören, uns zu überraschen, und wir hören nicht auf, überrascht zu sein und uns über ihre Entdeckungen zu freuen, denn die Mehrheit ist auf das Gemeinwohl ausgerichtet.

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