Antenne de pulvérisation: miniature, flexible et puissante

Le XXIe siècle regorge de nombreuses inventions intéressantes et parfois incroyables. Littéralement, chaque jour, quelque chose de nouveau apparaît qui promet d'améliorer notre vie avec vous. L'une de ces innovations est l'Internet des objets, lorsque divers objets physiques autour de nous peuvent communiquer entre eux, formant un certain réseau. Par exemple, votre réfrigérateur contient une liste de produits que vous souhaitez acheter sur Internet. Il peut transférer ces informations sur votre ordinateur, qui passera la commande. Cela semble extrêmement inhabituel, mais c'est absolument réel. Cependant, une connexion stable doit être établie entre les appareils, et pour cela il est nécessaire d'en construire certains, en particulier, l'une de ces pièces peut être une antenne radiofréquence. Aujourd'hui, nous allons parler d'une nouvelle forme de cette pièce, faite littéralement à partir d'un pistolet pulvérisateur, qui est généralement peinte sur les murs ou les voitures. De quoi est faite cette antenne, quelles sont ses propriétés et caractéristiques, comment elle aidera au développement de l'Internet des objets - nous chercherons des réponses à ces questions et à d'autres dans le rapport des chercheurs. Allons-y.

L'essence de l'étude

Les chercheurs portent immédiatement notre attention sur la situation actuelle des antennes. La plupart d'entre eux sont constitués de métaux (cuivre, argent, aluminium), ce qui est logique car ces substances sont d'excellents conducteurs, ce qui est extrêmement important pour la transmission efficace des ondes radio. Cependant, il existe un facteur qui limite les capacités des antennes métalliques. Il s'agit d'un effet de surface qui détermine l'épaisseur du matériau sur lequel un courant électrique peut circuler efficacement.


Un schéma simplifié du concept d'effet de surface.

Les chercheurs citent le cuivre comme exemple. À une fréquence de 2,4 GHz (qui est généralement pour le Wi-Fi ou le Bluetooth), l'effet de surface du cuivre est de 1,33 μm. L'argent a 1,29 microns et l'aluminium a 1,67 microns. Par conséquent, l'épaisseur des antennes constituées de ces matériaux doit être d'au moins 5 microns pour qu'elles fonctionnent efficacement.

Mais quand il s'agit de minimiser les appareils, ces dimensions ne semblent plus si petites, bien au contraire.

Les scientifiques n'ont pas oublié l'existence d'une technologie pour la production de fibres métalliques, mais cette méthode est très longue et coûteuse. Par conséquent, nous avons besoin d'une nouvelle base d'antennes radicalement différente de leurs prédécesseurs, capable d'être efficace, rapide en production et, bien sûr, peu coûteuse. Et une telle base peut être précisément MXene.

Matériel pour la future antenne

Les antennes radiofréquences sont souvent faites de métaux, mais il est extrêmement difficile de fabriquer une antenne mince, légère et flexible à partir d'un tel matériau. Et nous nous souvenons que la réduction de la taille des appareils et de leurs détails est désormais l'un des points de développement de toute technologie. Le problème de la taille et de la forme physiques peut être résolu par les nanomatériaux modernes tels que le graphène, les nanotubes de carbone et les polymères conducteurs. Mais ces matériaux ont une conductivité assez faible, ce qui limite fortement leur application.

Si vous ne trouvez pas le matériau idéal parmi ceux disponibles, vous pouvez en créer un vous-même. C'est ainsi que les scientifiques sont partis. La base des nouvelles antennes était le carbure de titane bidimensionnel (TiC), qui dans le rapport a également une autre désignation - MXene * .

MXenes * - ou maksens est une classe de composés inorganiques bidimensionnels.

La base MXene était du carbure de titane et d'aluminium (Ti ₃ AlC ₂ ), dont la couche atomique Al a été éliminée par gravure sélective * .

La gravure sélective * est une méthode pour retirer un composant spécifique d'un système de substances.

1 gramme de poudre de Ti ₃ AlC _{2 a} été progressivement ajouté à 10 ml d'une solution constituée de 6 ml d'acide chlorhydrique, 3 ml d'acide fluorhydrique à 49% et 1 ml d'eau désionisée. Le mélange résultant a été placé dans un bain de glace (refroidissement) pendant 10 minutes, puis agité en continu pendant 24 heures.

Après le processus de gravure, le mélange a été nettoyé 5 fois par centrifugation (3500 tr / min, 2 minutes à chaque passage) jusqu'à ce que le pH atteigne 7-6. Ensuite, le précipité résultant a été ajouté à une solution froide de chlorure de lithium (20%) et d'eau (80%). Puis encore 10 minutes dans un bain de refroidissement et 4 heures d'agitation à température ambiante.

Ce n'est pas tout. L'étape suivante a été répétée un triple nettoyage pour obtenir une couleur sombre, qui marque le début du processus de séparation.

Ainsi, la substance de base est synthétisée. Vous devez maintenant l'appliquer sur un substrat en PET (polyéthylène téréphtalate thermoplastique) de 4 mil d'épaisseur (1 mil = 1/1000 ″). Le PET a été utilisé en raison de sa flexibilité et de sa transparence.

Avant d'appliquer MXene sur le substrat, il fallait le préparer. Le substrat a d'abord été nettoyé par ultrasons dans une solution détergente Hellmanex III à 5% * pendant 3 minutes. Cela a été suivi par une autre étape de nettoyage par ultrasons (également 3 minutes), mais maintenant dans de l'eau désionisée et dans de l'éthanol 190 (95% d'éthanol pur non dénaturé et 5% de H ₂ O).

Détergent * - une substance à haute activité superficielle, il est donc utilisé pour le nettoyage, la désinfection ou la dissolution. Le moyen par lequel nous lavons la vaisselle peut être appelé détergent.

Par la suite, le substrat a été séché à l'air comprimé et purifié par plasma d'oxygène pendant 5 minutes et un débit d'O2 de 4 cm ³ / min. Cela a permis d'éliminer la contamination résiduelle et d'augmenter le degré d' hydrophilie * de la surface.

Hydrophilie * - exagérée, la capacité de l'objet à absorber l'eau. Une éponge de bain est un excellent exemple d'hydrophilie. En revanche, il y a hydrophobie lorsqu'un objet repousse l'eau, comme un parapluie sous la pluie.


L'hydrophilie comme exemple de la façon dont une éponge séchée absorbe l'eau.

En tant qu'outil pour appliquer MXene au PET, un pulvérisateur ordinaire (pistolet de pulvérisation, pour ceux qui aiment les noms plus tordus) est devenu.

Résultats de recherche

À la suite du processus de fabrication ci-dessus, une solution colloïdale aqueuse stable * avec des flocons de Ti ₃ C _{2 a} été obtenue.

Une solution colloïdale * - en fait, c'est quelque chose entre une vraie solution (homogène) et une solution grossièrement dispersée, lorsque de petites particules d'une des substances constitutives y sont présentes.

Image n ° 1

La figure 1a montre schématiquement les nanoplaques de Ti ₃ C ₂ susmentionnées. Sont également présentées des options pour appliquer cette substance sur un substrat: filtration (filtration) et pulvérisation (pulvérisation). Dans cette étude, une attention particulière est portée à la seconde option de création de films qui deviendra la base de nouvelles antennes. L'épaisseur du film ne dépassera pas 1,4 microns, si vous appliquez l'application par pulvérisation. Si vous appliquez une filtration - plus de 1 micron.

L'avantage de la pulvérisation est également qu'une couche de Ti ₃ C ₂ d'une épaisseur de l'ordre de 1 µm peut être appliquée sur la surface rugueuse d'un PET si le substrat est prétraité avec du plasma d'oxygène. La filtration ne donne pas de tels résultats lorsqu'elle est appliquée au PET.

L'image 1b montre des photographies de dipôles Hertz (type d'antennes) de MXene avec une épaisseur de 62 nm (échantillon en haut) et 1,4 μm (échantillon en bas).

1c est une image SEM (microscope électronique à balayage) où nous pouvons voir comment les flocons de Ti ₃ C ₂ (lignes pointillées rouges) sont distribués sur la surface du substrat (vue de dessus), ainsi que la façon dont la couche MXene cache le substrat (vue latérale).

La figure 1d est les résultats de l'analyse par diffraction des rayons X d'échantillons créés de deux manières: filtration sous vide et pulvérisation. La ligne noire est le film après filtration sous vide, et la ligne rouge est après traitement thermique sous vide à une température de 150 ° C. La ligne pointillée noire est un film de 1,4 μm après pulvérisation, et la ligne pointillée rouge après traitement supplémentaire sous vide à 150 ° C.

Dans le cas de la filtration, le traitement sous vide a déplacé le pic (002) de 6,8 ° à 8,3 °. Et dans le cas de la pulvérisation - de ~ 5 ° à 6,1 °.

Un indicateur extrêmement important d'une substance dans le contexte des circuits radiofréquences est la résistance de la surface du film. Dans le graphique 1e, nous pouvons voir différents indices de résistance pour différentes épaisseurs de film obtenus par des mesures de résistance en quatre points. Lorsque l'épaisseur du film était de 1,4 μm, la résistance atteignait 0,77 ± 0,08 ohms par carré. Si le film avait une épaisseur de 62 nm, le résultat était de 47 ± 8 ohms par carré et la transmittance de la lumière à une longueur d'onde de 550 nm était de 49%.

Une observation importante de cette analyse est le fait que la résistance augmente lorsqu'elle atteint une épaisseur ≤ 100 nm. Cela, selon les chercheurs, est probablement dû à la discontinuité des liaisons entre les nanoplaques individuelles de Ti ₃ C ₂ , qui est due à l'inexactitude de la pulvérisation manuelle.


Échantillon après la procédure de pulvérisation.

Chercheurs, et nous avons déjà étudié les propriétés du matériau. L'étape suivante consiste à vérifier l'opérabilité des appareils créés à partir de matériaux fabriqués par MXene.

3 appareils ont été réalisés pour tester certains paramètres:

• Dipôle Hertz pour vérifier les propriétés de rayonnement;
• ligne de transmission pour vérifier la propagation des ondes;
• Une étiquette RFID (identification par radiofréquence) pour étudier la rétrodiffusion lorsqu'une onde est réfléchie vers la source.

Image n ° 2

Les antennes dipôles demi-onde sont extrêmement courantes dans divers domaines (radiodiffusion, téléphones mobiles, connexions sans fil, etc.) car elles propagent les ondes dans toutes les directions. Par conséquent, ce type d'antenne a été choisi pour tester les caractéristiques des ondes.

La figure 2a montre un schéma d'une telle antenne réalisée à partir du MXene testé avec une fréquence de 2,4 GHz. La longueur totale du dipôle est de 62 nm, soit la moitié de la longueur d'onde à cette fréquence de fonctionnement. Les principaux indicateurs analysés étaient la perte de retour et les caractéristiques de rayonnement.

Les taux de pertes de retour varient en fonction de l'épaisseur: de -12 décibels à 114 nm à -65 décibels à 8 μm. On voit clairement que la perte de retour augmente avec l'épaississement de l'antenne. Les chercheurs soulignent la relation entre cette tendance et la corrélation de l'épaisseur et de la résistance de surface, comme discuté précédemment. Il est également noté que la perte de retour peut dépendre directement des changements de résistance dus à différentes longueurs, qui diminuent lorsque l'antenne est plus mince. Ceci, encore une fois, est dû à la méthode manuelle de pulvérisation de MXene sur un substrat.

2b sont des mesures du coefficient de réflexion (S ₁₁ ) d'une antenne dipôle de différentes épaisseurs (de 114 nm à 8 µm). Les mesures du coefficient d'onde stationnaire, montrant l'efficacité avec laquelle la puissance est transmise à l'antenne et l'adaptation d'impédance, sont présentées dans le graphique 2c . Les carrés noirs sont le MXene testé, les cercles rouges sont en cuivre et les losanges bleus en aluminium.

La directivité de rayonnement de l'antenne dipôle a été mesurée dans une chambre anéchoïque spéciale, et l'antenne Vivaldi a servi de récepteur de signal. Une vue de la salle de test est montrée dans l'image 2d .


Un exemple d'antenne Vivaldi.

Dans le graphique adjacent ( 2e ), nous voyons déjà le diagramme de rayonnement de l'antenne MXene avec une épaisseur de 8 μm. Enfin, un graphique 2f montrant la directivité maximale de l'antenne MXene.

Les chercheurs notent une caractéristique très importante de la nouvelle antenne, son coefficient de réflexion. Cet indicateur était de -65 dB pour une antenne d'une épaisseur de 8 μm, ce qui est bien meilleur que celui des antennes d'autres nanomatériaux d'épaisseur correspondante.

Même avec une épaisseur de 1,4 μm, le coefficient résultant (-36 dB) est meilleur que pour des antennes de 7 μm en graphène imprimé, graphène laminé ou encre argentée.


Image n ° 3

Nous passons donc maintenant au test du deuxième appareil, du matériau de test à la ligne de transmission. Il s'agit d'un élément très important, pourrait-on dire, de divers appareils RF. Ils sont nécessaires pour transmettre des signaux radiofréquences du point A au point B avec une perte d'énergie minimale.

Parmi l'ensemble des types de lignes de transmission à tester, un a été choisi: un guide d'ondes à bande. Dans un tel guide d'onde, les ondes électromagnétiques se propagent le long de deux conducteurs ou plus situés dans le même plan. La disposition et l'apparence du guide d'onde sont illustrées dans l'image 3a . Le signal est transmis le long du conducteur central (1,7 μm de large), et deux de ses côtés à une distance de 0,5 μm sont mis à la terre.

L'essai a été réalisé par des guides d'ondes d'une épaisseur de 62 nm à 8 μm, ainsi que par les précédents sujets d'essai - antennes dipôles. Avec une épaisseur décroissante, le coefficient d'atténuation augmente, comme le montre le graphique 3b . Mais le graphique 3c montre que les données mesurées coïncident presque complètement avec celles calculées à l'avance.

La flexibilité d'un tel guide d'onde ( 3d ) a également été testée. La modification de la forme du guide d'onde n'a entraîné aucune modification de ses caractéristiques, ce qui fait du MXene un excellent matériau pour les appareils flexibles et compacts. Cependant, avec une flexion constante, une augmentation de la résistance de surface de 14% est observée, ce qui peut être résolu en appliquant la méthode de centrifugation pour déposer Ti ₃ C ₂ sur le substrat, ce qui permettra une distribution plus uniforme des nanoplaques à la surface.

Ensuite, les chercheurs ont comparé les coefficients d'atténuation de leur création avec ceux qui avaient été créés plus tôt. Ainsi, à 1 GHz, le coefficient d'atténuation MXene (1,4 μm) est 50 fois inférieur à celui d'un guide d'onde en graphène de 7,7 μm d'épaisseur, et 300 fois inférieur à celui d'un guide d'onde à encre d'argent. Les détails de la comparaison peuvent être vus dans le graphique 3e .

Et en conclusion, le troisième appareil basé sur MXene, l'étiquette RFID, a été testé.


Image n ° 4

4a montre le schéma et le principe de fonctionnement de l'antenne RFID. Le graphique 4b montre les distances de lecture en liaison descendante de trois antennes RFID différentes. Les trois échantillons présentent une plage de lecture de 6 m. Lorsqu'ils atteignent l'impédance d'entrée d'adaptation maximale de la puce RFID, la plage s'étend à 8 m.

Les indicateurs ci-dessus sont extrêmement encourageants, mais le Ti ₃ C ₂ a un inconvénient important - l'oxydation. Les flocons de nanomètre Ti ₃ C _{2 ne} sont absolument stables que dans une atmosphère inerte. L'argon (Ar) a été utilisé dans cette étude. Si le film pénètre dans un milieu contenant de l'oxygène, il commence à s'effondrer lentement. Les mesures ont montré que pendant 70 heures, le Ti ₃ C ₂ conserve ses propriétés dans l'air ordinaire. Cela s'applique aux flocons individuels, individuels. S'il y en a beaucoup et qu'ils forment des groupes, un tel ensemble de nanoplaques peut exister sans changements négatifs dans l'air pendant 30 jours. Cela est dû à leur précision, car ils sont étroitement adjacents et protègent la partie intérieure de l'oxydation, allongeant ainsi leur durée de vie.

Selon les scientifiques, il est actuellement possible de résoudre le problème de l'oxydation en laminant des pièces à base de Ti ₃ C ₂ ou en les plaçant à l'intérieur d'appareils scellés.

Les détails des calculs, des tests et des mesures sont disponibles dans le rapport des scientifiques et dans des documents supplémentaires .

Épilogue

Le matériau ci-dessus mérite pleinement une attention particulière, compte tenu de ses caractéristiques, selon les tests et les tests. Légèreté, flexibilité, petite taille et en même temps de bonnes performances sont les facteurs qui peuvent attirer de nombreuses entreprises à l'avenir. Les appareils qui nous entourent deviennent plus intelligents, certains deviennent plus petits. En changeant la taille de quelque chose, vous vous attendez à une détérioration de ses caractéristiques. C'est pourquoi de nombreux groupes de recherche travaillent à la création de nouveaux appareils, de nouvelles pièces, à la recherche de nouveaux matériaux ou à leur synthèse. Tout cela pour que la productivité des technologies futures ne dépende pas de leurs caractéristiques physiques ou de l'environnement de leur utilisation.

De plus, «l'antenne de l'atomiseur» - la phrase elle-même sonne aussi futuriste qu'Isaac Asimov aurait pu l'imaginer. Mais rien ne surprendra les scientifiques modernes. Au contraire, ce sont eux qui ne cessent de nous étonner, et nous ne cessons d’être surpris et de nous réjouir de leurs découvertes, car la plupart visent le bien commun.

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