Antena monopolo de banda ultraancha flexible impresa en carburo de titanio 2D para comunicaciones inalámbricas

Impresión por extrusión para Ti flexible de banda ultraancha3C2 antena monopolo

El Ti multicapa (m-)3C2 se sintetiza mediante la eliminación selectiva de la capa de aluminio del Ti comercial3AlC2 fase (Fig. 1a y Fig. 1 complementaria). Ti delaminado3C2 se prepara mediante baño de ultrasonidos. Las abundantes cargas electrostáticas negativas (p. ej., -F, -OH y -O) en el Ti hidrofílico3C2 las nanohojas conducen a tintas acuosas estables (Fig. 1c complementaria). El Ti viscoso concentrado3C2 las tintas se pueden imprimir directamente por extrusión para una antena de parche con patrón flexible (Fig. 1b y Fig. 2 complementaria). La técnica de impresión también es precisa para circuitos electrónicos flexibles complicados (Fig. 1b y Fig. 3 complementaria). El Ti multicapa interconectado3C2 la película se puede recubrir uniformemente sobre un sustrato dieléctrico de politetrafluoroetileno comercial modificado con PDA (el modelo es F4B220M. En este trabajo se abrevia como sustrato F4B) (Fig. 1c y Fig. 4 complementaria). Concretamente, el sustrato dieléctrico F4B se modifica primero con monómeros de dopamina (DA) en solución tampón Tris-HCl (pH = 8,5) (Fig. 1d). Luego, la autopolimerización de los monómeros DA ocurre a través de la ciclación intramolecular y la polimerización intermolecular.27. La capa de PDA formada actúa como una plataforma secundaria para mejorar las interacciones de adhesión interfacial entre el sustrato dieléctrico y el Ti impreso.3C2 película, contribuyendo el Ti integrado conforme3C2 antenas con alta uniformidad espacial y flexibilidad mecánica (Fig. 1e).

Fig. 1: Preparación de Ti3C2 para antena
Figura 1

a Las vías esquemáticas del Ti ultrafino3C2 nanoláminas y la impresión por extrusión directa de Ti3C2 tintas para antenas flexibles. b Diferentes patrones de Ti flexible3C2 antenas C La imagen SEM transversal de Ti3C2 antenas incluyendo Ti3C2 capa, polidopamina (PDA) y sustrato F4B220M (F4B). d Ilustración esquemática del proceso de preparación para Ti3C2 antenas mi La fotografía óptica de Ti3C2 tintas

Ti flexible y compacto3C2 microstrip TL

El diseño racional de los TL es vital para una baja pérdida de transmisión para minimizar la atenuación y distorsión de la señal.28. Para lograr la integración compacta, Ti3C2 TL se imprime directamente por extrusión en el sustrato dieléctrico F4B modificado con PDA (Fig. 2a). El espesor total de las diferentes capas es inferior al de los informes anteriores (Tabla complementaria 1). El Ti como fabricado3C2 Los microstrip TL se pueden doblar en un gran ángulo de flexión, mostrando una excelente estabilidad mecánica (Fig. 2a). Mientras, el Ti3C2 TL es fácil de desprenderse del sustrato dieléctrico F4B en ausencia de recubrimientos de PDA (Fig. 2b). Muestra que la PDA permite mejorar de forma irremplazable la fuerza de adhesión entre Ti3C2 capa y sustrato dieléctrico F4B. Las propiedades superficiales del sustrato dieléctrico F4B se analizan sistemáticamente antes y después del tratamiento con DA (Fig. 2c). Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) muestran que la rugosidad de la superficie del sustrato dieléctrico F4B aumenta después de la adhesión uniforme de los recubrimientos de PDA. El ángulo de contacto del agua en el sustrato dieléctrico F4B disminuye de 101,7 ± 1,1o a 62,1±1,6o29. Demuestra que la hidrofilia se mejora debido a la exposición de los grupos funcionales hidroxilo de PDA30. Espectro infrarrojo de transformada de Fourier (FT-IR) de Ti3C2/PDA está compuesto por los principales picos característicos de Ti3C2 y PDA (Fig. 2d). Los picos alrededor de 1618 y 1497 cm−1 muestran cambios obvios en comparación con los de PDA y Ti3C2sugiriendo la interacción entre catecoles/grupos quinona en PDA y grupos terminales (-OH/-O/-F) de Ti3C231. Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) de Ti3C2/PDA demuestra las composiciones superficiales de los elementos C, N, Ti, O y F en torno a 285,0, 401,2, 456,5, 531,2 y 685,3 eV, respectivamente (Fig. 5a complementaria). En comparación con el Ti prístino3C2ti3C2/PDA tiene un pico recién aparecido en 288.0 eV en C 1 s espectro, que se asigna al enlace de coordinación catecol-titanio (CO-Ti) (Fig. 2e)32. Además, C-Ti y C-Ti-(T)X los picos se desplazan hacia abajo hacia la energía de enlace más baja debido a la transferencia de electrones de PDA a Ti3C233. Para el espectro de O 1 de Ti3C2/PDA, el pico del estado de quinona (C = O) posiblemente se superpone con el pico de CO-Ti (Fig. 2f)34,35. La tendencia de cambio descendente para Ti-(OH)XTi-(O)Xy TiO2 es consistente con C 1 s36. El espectro Ti 2p también tiene cambios similares (Fig. 5b complementaria). En comparación con PDA, la menor energía de unión de los picos de amina primaria (R-NH-R) y amina secundaria (R = NR) se atribuye a las interacciones de enlace de hidrógeno entre PDA y Ti3C2 (Fig. 2g)37. El nuevo pico de N-Ti a 396,8 eV se asigna a la unión de amina en los sitios de Ti no terminados. Los cambios descendentes de energía de enlace de F 1 s (es decir, Ti-F y CF) se atribuyen principalmente a los enlaces de hidrógeno con los grupos -O de PDA (Fig. 2h). La afinidad de unión y los enlaces de hidrógeno entre PDA y Ti3C2 son los principales modos de conexión37. Por lo tanto, PDA puede actuar como nano-aglutinante de pegamento molecular para reforzar la interacción compacta entre el sustrato dieléctrico F4B y Ti3C2 capa. El tratamiento PDA proporciona una estrategia universal y simple para conectar Ti3C2 materiales y sustrato dieléctrico para antenas y TL microstrip.

Fig. 2: Caracterización de Ti3C2 líneas de transmisión microstrip (TLs).
Figura 2

a Imágenes digitales de Ti plano y doblado3C2 Microstrip TL con revestimiento de PDA. b Imágenes digitales de Ti3C2 microstrip TL sin revestimiento de PDA y el Ti exfoliado3C2 capa. C Imagen digital, imagen SEM y ángulo de contacto del sustrato dieléctrico F4B antes y después del depósito de PDA. d Espectros FT-IR de Ti3C2PDA y Ti3C2/PDA. mi XPS C 1 s, FXPS O 1 s, gramo XPS N 1 sy h XPS F 1 s de ti3C2/PDA, ti3C2 o PDA.

Medición del rendimiento de ti3C2 microstrip TL

En la impresión por extrusión, la tinta sólida se extruye como un filamento a través de una boquilla y se deposita sobre el sustrato para una impresión de alta resolución.38,39. El pase de impresión se puede ajustar bien mediante la orientación precisa del eje X y el eje Y (Fig. 3a y Fig. 6 complementaria). La resistencia a la extrusión está controlada por la presión atmosférica. La altura de impresión se ajusta a lo largo del eje Z. para el ti3C2 tintas con diferentes concentraciones de 10, 20, 30, 60, y 100 mg mL−1, la viscosidad de la tinta aumenta con las concentraciones elevadas a una velocidad de corte constante y disminuye con el aumento de las velocidades de corte a una determinada concentración (Fig. 3b). Presenta un claro comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento y características de fluido no newtoniano para el proceso de impresión de extrusión continua.40. Mientras que, el estrés tiene la tendencia contraria a la viscosidad. En combinación con las curvas viscoelásticas y el modelo de fluido Hershel-Bulkley, la concentración de tinta óptima se selecciona como 60 mg ml.−1 con un límite elástico de 48 Pa, que es el parámetro más adecuado para la impresión por extrusión real (Figs. Complementarias 7 y 8)41. Al ajustar la presión de extrusión (es decir, 50, 60 y 70 kPa), el espesor medido por el perfilador escalonado se puede ajustar de manera efectiva (Fig. 3c y Fig. 9 complementaria). Por ejemplo, el espesor aumenta gradualmente de 8,4 m para 50 kPa a 12,1 m para 60 kPa y 14,1 m para 70 kPa en el número de capa (N) de 6. El espesor aumenta linealmente con el número de capa a una cierta presión de 50 kPa. Eso es 1.2, 2.7, 3.8, 5.9, 7.7 y 8.4 μm para el número de capa de 1, 2, 3, 4, 5 y 6, respectivamente. La resistencia de lámina de Ti3C2 la película disminuye significativamente de 0,68 Ω sq−1 a 0,16 Ω cuadrados−1 con sobreimpresiones de 6 capas (Fig. 3d). Como el Ti de 3 µm de espesor3C2 Los TL se doblan periódicamente con un radio de curvatura de 1,5 cm (Fig. 3e), la resistencia relativa solo tiene un cambio 3C2 TL (Fig. 3f).

Fig. 3: Impresión por extrusión para Ti3C2 TL microstrip.
figura 3

a La estructura interna de una impresora microelectrónica. Recuadro: Fotografías de varios Ti3C2 tintas b Tensión y viscosidad representadas en función de la velocidad de corte. C Grosor trazado como una función del número de capa. d Resistencia de lámina representada en función del número de capas. Recuadro: imágenes ópticas de varias líneas impresas (3 cm de longitud, 50 kPa) con diferentes números de capa. mi Diagrama de la prueba de flexión. F a†R/R0 en diferentes ciclos de flexión. gramo Configuración esquemática de Ti3C2 TL microstrip. Recuadro: La vista transversal muestra los materiales en diferentes capas. Distribución de campo electromagnético simulado de Ti3C2 TL. Coeficiente de transmisión S21 (h) y constante de atenuación (i) de Ti de 3 cm de largo3C2 TLs con diferentes espesores.

ti3C2 Los microstrip TL pueden funcionar conectándose directamente con dos conectores prensados ​​sin soldar (Fig. 3g). La distribución del campo electromagnético simulado del modo cuasi-TEM para Ti3C2 microstrip TLs está de acuerdo con el hecho de metal convencional21. ti3C2 Se preparan microcintas TL con tres espesores diferentes (es decir, 3, 5,5 y 10 µm) y se nombran como Ti3C2−3 µm, Ti3C2−5,5 µm y Ti3C2−10 µm, respectivamente. Parámetros de dispersión (S-parámetro S11 y S21) de todo Ti3C2 Los TL de microstrip se miden en el rango de frecuencia de 1 a 10 GHz utilizando un analizador de red vectorial (Fig. 3h y Fig. 10 complementaria). Como referencia se fabrican los TL comerciales de cobre de 18 µm de espesor con la misma geometría. S11 de ti3C2 microstrip TLs se mantiene por debajo de 10 dB (Fig. 10 complementaria). Coeficiente de transmisión S21 de todos los TL disminuye al aumentar las frecuencias en el rango de 1-10 GHz debido a los efectos de profundidad de la piel42. S21 también aumenta con el aumento del espesor de Ti3C2 microstrip TL debido a la disminución de la resistencia de la hoja (Fig. 3c, d). La constante de atenuación (α) de Ti3C2 microstrip TL se calcula mediante S11 y S21 (Fig. 3i). Aumenta con la frecuencia para un cierto espesor y disminuye con el espesor de 3 a 10 m. Vale la pena señalar que la constante de atenuación de Ti3C2’10 μm microstrip TL es solo 0.102 dB mm−1 a 2,4 GHz mientras que la del cobre TL es de 0,052 dB mm−1. Incluso para Ti3C2−3 μm TL, la constante de atenuación sólo aumenta a 0,171 dB mm−1. Aunque la constante de atenuación es peor que la del TL de cobre de 18 m de espesor, sigue siendo aceptable como sustituto del metal tradicional en los sistemas de comunicación de RF.8,43. La medida del Ti3C2 antena en la última parte apoya este punto.

Ti de banda ultraancha3C2 antena monopolo

Los modelos simulados y medidos del Ti de banda ultraancha3C2 Las antenas monopolares están diseñadas con Ti3C2 parche, sustrato dieléctrico y plano de tierra (Fig. 4a y Fig. Complementaria 11-12). Durante la prueba, el cable coaxial se conecta a través del contacto de presión sin soldadura. tres ti3C2 antenas con diferentes espesores (es decir, 3, 5,5 y 10 m), que se denominan Ti3C2−3 µm, Ti3C2−5,5 µm y Ti3C2Se fabrican −10 µm, respectivamente, para las mediciones (Fig. 13 complementaria y Tabla complementaria 2). Se utiliza una antena de cobre con el mismo diseño para comparar. El coeficiente de reflexión S11 es inferior a −10 dB en la banda de frecuencia de trabajo de 1,7-4,0 GHz, lo que indica que la antena puede recibir bien la entrada de energÃa del alimentador del analizador vectorial de redes (Fig. 4b). Está bien emparejado con los resultados de la simulación. Como el espesor de Ti3C2 componentes disminuye, la muesca más profunda de S11 Las curvas aparecen debido a las características de resonancia local más fuertes y a la disminución de la eficiencia de radiación de la antena.44,45. El ancho de banda relativo del Ti3C2 Las antenas alcanzan el 75% ± 3%, cubriendo WLAN, Bluetooth, bandas de frecuencia de 5 G (n41, n78) y superando con creces a otros Ti3C2 antenas en esta etapa8,21,43. Su estabilidad a largo plazo sienta las bases para aplicaciones prácticas (Figura complementaria 14). La distribución de corriente simulada de ti3C2 Los parches de monopolo son idénticos a los de una antena de monopolo metálico (Fig. 15 complementaria). La pérdida de Ti3C2 La antena es ligeramente más alta que la de la antena Cu en la región de alta frecuencia, lo que hace que Ti3C2 Las antenas tienen la parte inferior q valor. El ancho de banda de trabajo de Ti3C2 antenas a −10 dB se expande y es comparable a la antena Cu tradicional22. La ganancia medida y la eficiencia total de Ti3C2 antena están en la misma tendencia que la antena de cobre, que aumenta con el grosor debido a la disminución de la pérdida del conductor (Fig. 4c, d). La ganancia de Ti3C2 La antena es aproximadamente 1 dBi menor que la de la antena de cobre, pero mantiene una alta ganancia para una antena monopolo en general. Se puede aumentar aún más mediante la mejora de la conductividad de Ti3C2 componente, utilizando un sustrato alternativo con menor pérdida dieléctrica, aumentando la orientación de la antena o combinando varias antenas en un conjunto de antenas2,46. La eficiencia de radiación alcanza el 68,4% para Ti3C2−3 μm, 68,7% para Ti3C2−5.5 μm, y 76.5% para Ti3C2−10 μm, que puede incrementarse aún más mediante la mejora de la conductividad del Ti3C2 capa o la adopción de sustratos adecuados con menor pérdida dieléctrica2,46. La tendencia de mayor ganancia y eficiencia con el espesor de Ti3C2 parches se atribuyen a la disminución de la pérdida del conductor47. La eficiencia de radiación a 2,4 GHz de Ti3C2 la antena es sólo un 14% ± 5% más baja que la contraparte de cobre. También es más alta que las antenas hechas de otros materiales (Fig. 4e y Tabla Suplementaria 3). Los patrones de radiación normalizados de Ti3C2 antena son consistentes con el patrón de la antena monopolo estándar (Fig. 4f). Es una forma de 8 en el plano E y un círculo en el plano H. Los patrones de radiación tridimensionales (3D) obtenidos por el software de simulación de onda completa muestran intuitivamente que el Ti3C2 la antena monopolar puede irradiar omnidireccionalmente en el plano H (Figs. Complementarias 16-18). El Ti como fabricado3C2 la antena se puede torcer aleatoriamente, mostrando una excelente flexibilidad (Fig. 4g, hy Película complementaria 1). A modo de comparación, la antena monopolo de cobre con la misma estructura no tiene resiliencia en ningún ángulo de flexión. La ausencia de capa adhesiva de PDA entre Ti3C2 y el sustrato dieléctrico F4B da como resultado inestabilidad estructural (Fig. 19 complementaria). Las pruebas de flexión cíclica se realizan además para investigar la estabilidad de Ti3C2 antena. Típicamente, el Ti3C2La antena de 5,5 m se dobla primero durante 100, 300, 500 y 1000 ciclos en el radio de curvatura (R) de 1,5 cm (Fig. 4i). No hay un cambio obvio para el ancho de banda y la frecuencia central después de que la antena vuelve al estado plano. S11 los valores también tienen cambios insignificantes después de 1000 ciclos de flexión en los radios de flexión de 1,5, 2,8 y 4,3 cm (Fig. 4j). Las diferencias de ganancia correspondientes fluctúan ligeramente dentro de ±0,2 dBi en el rango de baja frecuencia (Fig. 4k), que es comparable al trabajo informado anteriormente21. El rendimiento también se puede mantener bien en el estado doblado con radios de flexión de 1,5, 2,8 y 4,3 cm (Figura complementaria 20). El ti3C2 las antenas con un grosor de 3 y 10 m también tienen resultados similares (Figs. Complementarias 21-24). Por lo tanto, la excelente estabilidad a la flexión cíclica de Ti3C2 La antena está bien demostrada para su aplicación en dispositivos de RF flexibles. El rendimiento de comunicación real del Ti3C2 antena se realiza utilizando la plataforma NI USPR-2943R. dos ti3C2 las antenas están conectadas a dos puertos de antena de la plataforma de comunicación inalámbrica a través de cables coaxiales como antenas transmisoras y receptoras, respectivamente (Fig. 4l). Todo el proceso de prueba es en tiempo real, utilizando la tecnología de modulación Binary Phase Shift Keying (BPSK). La parte superior izquierda del monitor de la computadora es la pantalla de transmisión en tiempo real, la parte inferior izquierda es la pantalla de recepción en tiempo real y la mitad derecha es la información del estado de comunicación, incluida la frecuencia de operación, el diagrama de distribución del vector de señal puntos finales (planisferio) y el diagrama de tasa de error de bits. El rendimiento de transmisión de Ti3C2 La antena se prueba mediante la transmisión de avances de películas a través de la plataforma de comunicación inalámbrica. Cuando la antena es plana, el punto del planisferio es muy denso, lo que significa que la calidad de la comunicación es alta, y la tasa de error de bits es casi cero (la imagen de la izquierda en la Fig. 4l y la película complementaria 2). Actualmente, la película transmitida es muy clara. cuando el ti3C2 la antena está doblada horizontal o verticalmente, los puntos en el planisferio están ligeramente dispersos, y la tasa de error de bit en este momento todavía está cerca de cero, y la película aún se transmite normalmente (La imagen central y derecha en la Fig. 4l y la Película complementaria) 3). Los efectos detallados de los radios de flexión indican además que la transmisión y recepción de películas en tiempo real del Ti3C2 Las antenas todavía se pueden realizar bajo el ángulo de flexión máximo (>200o), demostrando las ventajas de la flexibilidad mecánica (Fig. 25 complementaria y Película complementaria 4). El efecto de transmisión también se puede lograr cuando las antenas no están en la línea de visión (Fig. 26 complementaria y Película complementaria 5) o en diferentes ángulos de orientación (Fig. 27 complementaria y Película complementaria 6). La comunicación en tiempo real también puede proceder en la distancia de largo alcance de 1 a 5 m (Fig. 28 complementaria y Película complementaria 7). La comunicación entre las antenas donde una antena transmite una señal generada por el generador de señal y la antena receptora revela que la respuesta se ha revelado en un analizador de espectro (Fig. 29 complementaria). La aplicación específica en tiempo real del Ti de banda ultraancha flexible3C2 Las antenas monopolares son prometedoras en varios escenarios, incluidos los campos de interacción humano-computadora (es decir, tratamiento médico inteligente, combate individual, etc.), IoT (es decir, detección en tiempo real, reconocimiento de identidad, comunicación de campo cercano, etc.), sistemas de comunicación móvil, grandes transferencias de datos, videollamadas, conferencias en línea de varias personas e intercambio de información de grandes volúmenes de datos. El efecto de la humedad y el efecto del calor en el rendimiento de la antena se han evaluado mediante la implementación de Ti3C2 antenas como elementos radiantes y de detección mientras que el sensor de la antena está conectado al analizador de red vectorial, mostrando los potenciales de detección en aplicaciones IoT de vanguardia (Figs. 30 y 31 complementarias).

Fig. 4: Caracterización y aplicación de Ti de banda ultraancha3C2 antenas monopolo.
Figura 4

a Fotografía esquemática y óptica de Ti flexible3C2 antenas sobre sustrato dieléctrico con conector prensado. b Medido y simulado S11 parámetro de Ti3C2 antenas Ganancia medida y simulada (C) y eficiencia de radiación (d) de Ti3C2 antenas mi Una comparación de la eficiencia de radiación versus el espesor para Ti3C2 con metal y otros materiales como antenas de parche. F Patrón de radiación típico de Ti3C2Antenas de −5,5 μm medidas en la cámara anecoica. La unidad es dBi. gramo Fotografías digitales de antenas de cobre y Ti3C2 antenas h Fotografías digitales de Ti3C2 antenas en varias deformaciones. S11 parámetro de Ti3C2Antenas de −5,5 µm después de diferentes ciclos de flexión en R = 1.5 cm (i) y después de 1000 ciclos de flexión bajo diferentes radios de flexión (j). k Diferencia de ganancia de Ti3C2Antenas de −5.5 µm después de 1000 ciclos de curvatura bajo diferentes radios de curvatura. yo Demostración de Ti3C2 Antenas para comunicación inalámbrica.

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