Antena semprot: miniatur, fleksibel dan kuat

Abad ke dua puluh satu dipenuhi dengan banyak penemuan menarik dan terkadang luar biasa. Secara harfiah setiap hari muncul sesuatu yang baru yang menjanjikan untuk meningkatkan kehidupan kami dengan Anda. Salah satu inovasi ini adalah Internet of things, ketika berbagai benda fisik di sekitar kita dapat berkomunikasi satu sama lain, membentuk jaringan tertentu. Misalnya, lemari es Anda memiliki daftar produk yang ingin Anda beli melalui Internet. Dia dapat mentransfer informasi ini ke komputer Anda, yang akan melakukan pemesanan. Kedengarannya sangat tidak biasa, tetapi ini benar-benar nyata. Namun, koneksi yang stabil harus dibuat antara perangkat, dan untuk ini perlu untuk membangun yang tertentu ke dalamnya, khususnya, salah satu bagian tersebut mungkin antena frekuensi radio. Hari ini kita akan berbicara tentang bentuk baru dari bagian ini, dibuat secara harfiah dari pistol semprot, yang biasanya dilukis di dinding atau mobil. Terbuat dari apa antena ini, apa sifat dan karakteristiknya, bagaimana antena ini akan membantu pengembangan Internet hal - kita akan mencari jawaban untuk ini dan pertanyaan lain dalam laporan peneliti. Ayo pergi.

Inti dari penelitian ini

Para peneliti segera mengalihkan perhatian kita pada keadaan dengan antena sekarang. Kebanyakan dari mereka terdiri dari logam (tembaga, perak, aluminium), yang logis karena zat tersebut adalah konduktor yang sangat baik, dan ini sangat penting untuk transmisi gelombang radio yang efisien. Namun, ada faktor yang membatasi kemampuan antena logam. Ini adalah efek permukaan yang menentukan ketebalan material di mana arus listrik dapat mengalir secara efisien.


Skema yang disederhanakan dari konsep efek permukaan.

Para peneliti mengutip tembaga sebagai contoh. Pada frekuensi 2,4 GHz (yang biasanya untuk Wi-Fi atau Bluetooth), efek permukaan tembaga adalah 1,33 μm. Perak memiliki 1,29 mikron dan aluminium memiliki 1,67 mikron. Oleh karena itu, ketebalan antena yang terbuat dari bahan-bahan ini harus minimal 5 mikron agar dapat bekerja secara efektif.

Tetapi ketika datang ke meminimalkan perangkat, dimensi seperti itu tidak lagi tampak begitu kecil, melainkan sebaliknya.

Para ilmuwan belum melupakan keberadaan teknologi untuk produksi serat logam, tetapi metode ini sangat memakan waktu dan mahal. Oleh karena itu, kita memerlukan pangkalan baru untuk antena yang secara radikal berbeda dari pendahulunya, yang mampu menjadi efisien, cepat dalam produksi, dan, tentu saja, murah. Dan dasar seperti itu bisa tepatnya MXene.

Bahan untuk antena masa depan

Antena frekuensi radio sering dibuat dari logam, tetapi sangat sulit untuk membuat antena yang tipis, ringan dan fleksibel dari bahan tersebut. Dan kita ingat bahwa sekarang meminimalkan ukuran perangkat dan detailnya adalah salah satu poin pengembangan teknologi apa pun. Masalah ukuran dan bentuk fisik dapat diselesaikan dengan material nano modern seperti graphene, carbon nanotube, dan polimer konduktif. Tetapi bahan tersebut memiliki konduktivitas yang agak rendah, yang sangat membatasi penerapannya.

Jika Anda tidak dapat menemukan bahan yang ideal dari yang tersedia, Anda dapat membuatnya sendiri. Dengan cara inilah para ilmuwan telah pergi. Dasar dari antena baru adalah titanium karbida dua dimensi (TiC), yang dalam laporan ini juga memiliki sebutan lain - MXene * .

MXenes * - atau maksens adalah kelas senyawa anorganik dua dimensi.

Basa MXene adalah titanium-aluminium karbida (Ti ₃ AlC ₂ ), dari mana lapisan atom Al dihilangkan dengan etsa selektif * .

Etsa selektif * adalah metode untuk menghilangkan satu komponen spesifik dari sistem zat.

1 gram bubuk Ti ₃ AlC ₂ secara bertahap ditambahkan ke 10 ml larutan yang terdiri dari 6 ml asam klorida, 3 ml asam hidrofluorat 49% dan 1 ml air deionisasi. Campuran yang dihasilkan ditempatkan dalam penangas es (pendingin) selama 10 menit, dan kemudian diaduk terus menerus selama 24 jam.

Setelah proses etsa, campuran dibersihkan 5 kali dengan sentrifugasi (3500 rpm, masing-masing berjalan 2 menit) hingga pH mencapai 7-6. Selanjutnya, endapan yang dihasilkan ditambahkan ke larutan dingin lithium klorida (20%) dan air (80%). Kemudian 10 menit lagi dalam bak pendingin dan 4 jam pengadukan pada suhu kamar.

Bukan itu saja. Langkah selanjutnya adalah pembersihan tiga kali lipat untuk mencapai warna gelap, yang menandai awal dari proses pemisahan.

Jadi, bahan dasar disintesis. Sekarang Anda perlu menerapkannya pada substrat PET (thermoplastic polyethylene terephthalate) setebal 4 mil (1 mil = 1/1000 ″). PET digunakan karena fleksibilitas dan transparansi.

Sebelum menerapkan MXene ke substrat, harus disiapkan. Substrat pertama kali dibersihkan dengan ultrasound dalam larutan deterjen Hellmanex III 5% selama 3 menit. Ini diikuti oleh tahap lain pembersihan ultrasonik (juga 3 menit), tetapi sekarang dalam air terdeionisasi dan dalam etanol 190 (95% etanol murni tak jenuh dan 5% H2O).

Deterjen * - zat dengan aktivitas permukaan tinggi, oleh karena itu digunakan untuk membersihkan, mendesinfeksi atau melarutkan. Cara kita mencuci piring bisa disebut deterjen.

Selanjutnya, substrat dikeringkan menggunakan udara terkompresi dan dimurnikan dengan plasma oksigen selama 5 menit dan aliran O2 4 cm ³ / menit. Ini memungkinkan untuk menghilangkan kontaminasi residu dan meningkatkan derajat hidrofilisitas permukaan.

Hidrofilisitas * - berlebihan, kemampuan benda menyerap air. Spons mandi adalah contoh utama hidrofilisitas. Sebaliknya, ada hidrofobisitas ketika suatu benda mengusir air, seperti payung di tengah hujan.


Hidrofilisitas sebagai contoh bagaimana spons kering menyerap air.

Sebagai alat untuk menerapkan MXene ke PET, penyemprot biasa (pistol semprot, bagi mereka yang suka nama yang lebih bengkok) telah menjadi.

Hasil penelitian

Sebagai hasil dari proses pembuatan di atas, diperoleh suatu larutan koloid berair * yang stabil dengan serpihan Ti ₃ C ₂ .

Larutan koloid * - pada kenyataannya, itu adalah sesuatu antara larutan sejati (homogen) dan larutan terdispersi kasar, ketika partikel kecil dari salah satu zat penyusun hadir di dalamnya.

Gambar No. 1

Gambar 1a secara skematis menunjukkan nanoflakes Ti ₃ C _{2 yang} disebutkan di atas. Juga ditunjukkan beberapa opsi untuk mengaplikasikan bahan ini ke substrat: filtrasi (filtrasi) dan penyemprotan (spraying). Dalam studi ini, perhatian diberikan pada opsi kedua untuk membuat film yang akan menjadi dasar antena baru. Ketebalan film tidak akan lebih dari 1,4 mikron, jika Anda menerapkan aplikasi dengan penyemprotan. Jika Anda menerapkan filtrasi - lebih dari 1 mikron.

Keuntungan penyemprotan adalah lapisan Ti ₃ C ₂ dengan ketebalan urutan 1 μm dapat diaplikasikan pada permukaan kasar PET jika substratnya diberi perlakuan dengan plasma oksigen. Filtrasi tidak memberikan hasil seperti itu ketika diterapkan pada PET.

Gambar 1b menunjukkan foto-foto dipol Hertz (jenis antena) dari MXene dengan ketebalan 62 nm (sampel di atas) dan 1,4 μm (sampel di bawah).

1c adalah gambar SEM (scanning electron microscope) di mana kita dapat melihat bagaimana serpihan Ti ₃ C2 (garis putus-putus merah) didistribusikan pada permukaan substrat (tampilan atas), serta bagaimana lapisan MXene menyembunyikan substrat (tampilan samping).

Gambar 1d adalah hasil analisis difraksi sinar-X dari sampel yang dibuat dalam dua cara: penyaringan vakum dan penyemprotan. Garis hitam adalah film setelah penyaringan vakum, dan garis merah adalah setelah perlakuan panas dalam ruang hampa udara pada suhu 150 ° C. Garis putus-putus hitam adalah film 1,4 μm setelah penyemprotan, dan garis putus-putus merah setelah pemrosesan tambahan dalam ruang hampa udara pada 150 ° C.

Dalam hal penyaringan, perlakuan vakum mengubah puncak (002) dari 6,8 ° menjadi 8,3 °. Dan dalam hal penyemprotan - dari ~ 5 ° hingga 6.1 °.

Indikator zat yang sangat penting dalam konteks sirkuit frekuensi radio adalah ketahanan permukaan film. Dalam grafik 1e, kita dapat melihat indeks resistansi yang berbeda untuk ketebalan film yang berbeda yang diperoleh dengan pengukuran resistansi empat titik. Ketika ketebalan film 1,4 μm, resistansi mencapai 0,77 ± 0,08 ohm per persegi. Jika film tebal 62 nm, hasilnya adalah 47 ± 8 ohm per persegi, dan transmitansi cahaya pada panjang gelombang 550 nm adalah 49%.

Pengamatan penting dari analisis ini adalah fakta bahwa resistensi meningkat setelah mencapai ketebalan ≤100 nm. Hal ini, menurut para peneliti, kemungkinan besar disebabkan oleh diskontinuitas ikatan antara nanoflakes Ti ₃ C ₂ individu, yang disebabkan oleh ketidaktepatan penyemprotan manual.


Sampel setelah prosedur penyemprotan.

Peneliti, dan kami telah mempelajari sifat-sifat bahan tersebut. Langkah selanjutnya adalah memeriksa operabilitas perangkat yang dibuat berdasarkan bahan yang dibuat MXene.

3 perangkat dibuat untuk menguji parameter tertentu:

• Dipol Hertz untuk memeriksa sifat radiasi;
• saluran transmisi untuk memeriksa perambatan gelombang;
• Tag RFID (identifikasi frekuensi radio) untuk mempelajari hamburan balik ketika gelombang dipantulkan kembali ke sumbernya.

Gambar No. 2

Antena dipol setengah gelombang sangat umum di berbagai bidang (penyiaran, ponsel, koneksi nirkabel, dll.) Karena mereka menyebarkan gelombang ke segala arah. Oleh karena itu, antena jenis ini dipilih untuk menguji karakteristik gelombang.

Gambar 2a menunjukkan diagram antena yang terbuat dari MXene yang diuji dengan frekuensi 2,4 GHz. Panjang total dipol adalah 62 nm, yang merupakan setengah panjang gelombang pada frekuensi operasi ini. Indikator utama yang dianalisis adalah karakteristik return loss dan radiasi.

Tingkat kehilangan pengembalian bervariasi tergantung pada ketebalan: dari −12 desibel pada 114 nm hingga −65 desibel pada 8 μm. Terlihat jelas bahwa return loss meningkat dengan penebalan antena. Peneliti menunjukkan hubungan antara tren ini dan korelasi ketebalan dan ketahanan permukaan, seperti dibahas sebelumnya. Juga dicatat bahwa return loss dapat langsung bergantung pada perubahan resistansi karena panjang yang berbeda, yang berkurang ketika antena lebih tipis. Ini, sekali lagi, adalah karena metode manual penyemprotan MXene ke substrat.

2b adalah pengukuran koefisien refleksi (S ₁₁ ) dari antena dipol dengan berbagai ketebalan (dari 114 nm hingga 8 μm). Pengukuran koefisien gelombang berdiri, menunjukkan seberapa efisien daya ditransmisikan ke antena dan pencocokan impedansi, ditunjukkan pada grafik 2c . Kotak hitam adalah MXene yang diuji, lingkaran merah adalah tembaga, dan rhombus biru adalah aluminium.

Directivity radiasi antena dipol diukur dalam ruang anechoic khusus, dan antena Vivaldi bertindak sebagai penerima sinyal. Tampilan ruang tes ditunjukkan pada gambar 2d .


Contoh antena Vivaldi.

Dalam grafik yang berdekatan ( 2e ), kita sudah melihat pola radiasi antena MXene dengan ketebalan 8 μm. Akhirnya, grafik 2f yang menunjukkan directivity maksimum antenna MXene.

Para peneliti mencatat karakteristik antena baru yang sangat penting, yaitu koefisien pantulannya. Indikator ini adalah -65 dB untuk antena dengan ketebalan 8 μm, yang jauh lebih baik daripada antena dari bahan nano lain dengan ketebalan yang sesuai.

Bahkan dengan ketebalan 1,4 μm, koefisien yang dihasilkan (-36 dB) lebih baik daripada antena dari 7 μm yang terbuat dari graphene tercetak, graphene laminasi atau tinta perak.


Gambar No. 3

Jadi, sekarang kita beralih ke pengujian perangkat kedua dari bahan uji, ke saluran transmisi. Ini sangat penting, bisa dikatakan, komponen utama dari berbagai perangkat RF. Mereka diperlukan untuk mengirimkan sinyal frekuensi radio dari titik A ke titik B dengan kehilangan energi minimal.

Dari seluruh jenis saluran transmisi untuk pengujian, satu dipilih - pandu gelombang strip. Dalam pandu gelombang seperti itu, gelombang elektromagnetik merambat di sepanjang dua atau lebih konduktor yang terletak di bidang yang sama. Tata letak dan tampilan Waveguide ditunjukkan pada gambar 3a . Sinyal ditransmisikan di sepanjang konduktor pusat (lebar 1,7 μm), dan dua di sisi itu pada jarak 0,5 μm adalah ground.

Tes dilakukan oleh Waveguides dengan ketebalan 62 nm hingga 8 μm, serta subjek uji sebelumnya - antena dipol. Dengan penurunan ketebalan, koefisien atenuasi meningkat, seperti yang dapat dilihat pada grafik 3b . Tetapi grafik 3c menunjukkan bahwa data yang diukur hampir sepenuhnya bertepatan dengan yang dihitung sebelumnya.

Fleksibilitas semacam Waveguide ( 3d ) juga diuji. Mengubah bentuk Waveguide tidak menyebabkan perubahan pada karakteristiknya, yang membuat MXene bahan yang sangat baik untuk perangkat yang fleksibel dan kompak. Namun, dengan tekukan konstan, peningkatan resistensi permukaan sebesar 14% diamati, yang dapat diselesaikan dengan menerapkan metode sentrifugasi untuk menyimpan Ti ₃ C ₂ pada substrat, yang akan memungkinkan distribusi nanoflakes yang lebih seragam pada permukaan.

Selanjutnya, para peneliti membandingkan koefisien atenuasi ciptaan mereka dengan yang dibuat sebelumnya. Jadi, pada 1 GHz, koefisien atenuasi MXene (1,4 μm) adalah 50 kali lebih kecil dari pada pandu gelombang graphene 7,7 pM tebal, dan 300 kali lebih kecil dari pada pandu gelombang tinta perak. Detail perbandingan dapat dilihat pada grafik 3e .

Dan sebagai kesimpulan, perangkat berbasis MXene ketiga, tag RFID, diuji.


Gambar No. 4

Gambar 4a menunjukkan diagram dan prinsip operasi antena RFID. Grafik 4b menunjukkan jarak baca downlink dari tiga antena RFID yang berbeda. Ketiga sampel menunjukkan kisaran pembacaan 6 m. Ketika mencapai impedansi input pencocokan maksimum chip RFID, rentang tersebut diperluas hingga 8 m.

Indikator di atas sangat menggembirakan, tetapi Ti ₃ C ₂ memiliki kelemahan penting - oksidasi. Serpihan nanometer Ti ₃ C ₂ benar-benar stabil hanya di atmosfer inert. Argon (Ar) digunakan dalam penelitian ini. Jika film memasuki media yang mengandung oksigen, film itu mulai runtuh secara perlahan. Pengukuran menunjukkan bahwa selama 70 jam, Ti ₃ C ₂ mempertahankan sifat-sifatnya di udara biasa. Ini berlaku untuk serpihan individual, individu. Jika ada banyak dari mereka, dan mereka membentuk kelompok, maka seperangkat nanoflakes dapat ada tanpa perubahan negatif di udara hingga 30 hari. Ini karena keakuratannya, karena mereka berdekatan satu sama lain dan melindungi bagian dalam dari oksidasi, sehingga memperpanjang masa kerja mereka.

Menurut para ilmuwan, pada saat ini adalah mungkin untuk menyelesaikan masalah oksidasi dengan melaminasi bagian-bagian berdasarkan Ti ₃ C ₂ atau menempatkannya di dalam alat yang tersegel.

Rincian perhitungan, tes, dan pengukuran tersedia dalam laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Materi di atas sepenuhnya layak mendapat perhatian khusus, mengingat karakteristiknya, sesuai dengan tes dan tes. Ringan, fleksibel, ukuran kecil dan pada saat yang sama kinerja yang baik adalah faktor yang dapat menarik banyak perusahaan di masa depan. Perangkat di sekitar kita semakin pintar, beberapa di antaranya semakin kecil. Mengubah ukuran sesuatu, Anda mengharapkan penurunan karakteristiknya. Itulah sebabnya banyak kelompok riset bekerja untuk menciptakan perangkat baru, bagian baru, mencari bahan baru atau sintesisnya. Semua sehingga produktivitas teknologi masa depan tidak tergantung pada karakteristik fisik atau lingkungan penggunaannya.

Selain itu, "antena dari alat penyemprot" - frasa itu sendiri terdengar futuristik seperti yang bisa dibayangkan oleh Isaac Asimov. Tetapi tidak ada yang akan mengejutkan para ilmuwan modern. Sebaliknya, sebaliknya, merekalah yang tidak berhenti memukau kita, dan kita tidak berhenti terkejut dan bersukacita atas penemuan mereka, karena mayoritas ditujukan untuk kebaikan bersama.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?