石墨烯在5G无线通信中实现金属替代

为了有效信息传输和通信，5G和6G网络需要更多的天线、更大的带宽和更高的基站密度。因此，未来几年对射频电子器件的需求将飙升。例如，到2025年全球5G基站的数量预计将达到6500万个。随着射频电子设备，特别是移动终端的爆炸性增长，电磁污染也是亟需解决的难题。

几十年来，射频电子器件和电磁屏蔽材料通常都是由金属基结构制成的。然而，随着对柔性、高度集成度、轻量化、制造工艺以及在更高频率下工作的需求不断增长，基于金属材料的结构难以满足射频电子器件的发展需求。此外，随着电子产品数量的增加，电子垃圾对环境的影响越来越大，下一代消费电子产品的可持续发展变得至关重要。

自首次开发以来，无线通信和电磁干扰 (EMI) 屏蔽设备中的导电材料主要由金属结构制成。武汉理工大学何大平团队提出了一种石墨烯组装薄膜（GAF），可用于在此类实用电子产品中替代铜。

GAF的优势

基于 GAF 的天线具有很强的防腐性能

图1：GAF作为偶极子天线及其防腐性能。

( A ) GAF 和铜偶极子天线的数码照片，( B ) 不同材料天线在带宽中的测量增益。( C ) 不同材料天线在 865 MHz 下的增益。( D ) GAF 天线的 3D 辐射方向图仿真。( E ) GAF 和铜天线的 E 平面和 H 平面的辐射方向图。( F和G )分别是E平面和H平面辐射方向图的测量环境。( H ) 参考文献中的偶极子天线增益与本工作结果的比较。（J) 经过 1 周和 2 周盐雾处理后的 GAF 和铜偶极天线的数码照片。( K ) 测量和模拟 |S 11 | GAF 天线，初始，1 周和 2 周盐雾后。( L ) 测量 |S 11 |铜天线，初始、1 周后和 2 周盐雾。( M ) 在 865 MHz 下测量的 GAF 和铜天线在初始盐雾、1 周后和 2 周盐雾情况下的增益。

经过两周的盐雾处理，增益、反射系数等电性能保持不变，而铜天线被腐蚀破坏。

更高的工作带宽

GAF超宽带天线覆盖3.7 GHz至67 GHz的频率范围，带宽（BW）为63.3 GHz，比铜箔天线超过约110%。与铜天线相比，GAF第五代（5G）天线阵列具有更宽的带宽和更低的旁瓣电平。我们还证实，GAF 超材料作为灵活的频率选择表面，表现出有前途的频率选择特性和角度稳定性。

更高的电导率

GAF电导率高达2.58×106 S/m。经过200000次弯曲试验（弯曲半径为1.5mm），石墨烯组装膜可以保持其高柔性和导电性，不会造成结构损伤。为了研究石墨烯组装膜在5G技术和柔性电子领域的能力，他们展示了基于石墨烯的柔性共面波导传输线和谐振器在各种扭曲条件下的性能稳定性。石墨烯基的偶极天线具有良好的反射系数和高增益性能，与铜天线相当。

更出色的电磁屏蔽效能

图2：GAF应用于EMI防护。

( A – F ) 在 2.6 GHz 至 0.32 THz 频率范围内，15 μm 和 50 μm 厚度的 GAF 以及 10 μm 和 50 μm 厚度的铜的 EMI SE（图例相同），( A ) 2.6至 18 GHz（矩形波导法），( B ) 18 至 26.5 GHz（矩形波导法），( C ) 26.5 至 40 GHz（矩形波导法），( D ) 40 至 67 GHz（自由空间法），( E ) 75 至 110 GHz（自由空间方法），以及 ( F ) 0.22 至 0.3235 THz（自由空间方法）。

GAF 的 EMI 屏蔽效能 (SE) 也优于铜，在 2.6 GHz 至 0.32 THz 频率范围内高达 127 dB，每单位厚度的 SE 为 6,966 dB/mm。优于相同厚度的铜材料。

在完全的电磁屏蔽之外，很多情况下对电磁场的选择性屏蔽也很重要，以保证其他频段的正常传输。FSS作为超材料的一员，由结构单元周期性排列而成，可以选择性地吸收、反射和传输电磁波，是实现频率选择的有效途径。GAF FSS的选频性能经过测试后在0°~40°的弯曲角度变化范围内保持稳定，在电磁波±30°入射角范围内保持了良好的选频性能。具备较高的角稳定性。

GAF 制造

图3：GAF表征。

 ( A ) 横向尺寸为 108 μm 的典型大尺寸 GO 片的 TEM 图像。( B )通过在SiO 2表面上滴铸LGO溶液制备的LGO片材的光学显微镜图像。插入的是相应的LGO尺寸分布的统计研究。( C ) GAF 的 XRD 图谱和拉曼光谱。( D ) GAF、石墨、高取向热解石墨 (HOPG) 和典型片状尺寸 GO 组装薄膜 (TGF) 的电导率总结，插图为 SAXS 图案。（E）GAF经过20万次重复弯曲测试后的电阻变化，证明持久的柔韧性和稳定性。( F ) 860 MHz趋肤深度与化学还原、真空过滤、热还原GO膜等方法制备的GF、石墨烯墨水、碳纳米管(CNT)和MXene的导电层厚度相关。( G和H ) MTL 的模拟 ( G ) 和测量 ( H ) 传输系数。( I和J ) 不同频率 ( I ) 和电导率 ( J )下的导体损耗。 ( K) 柔性 GAF FCPW TL 弯曲直径为 60 毫米、40 毫米、20 毫米并扭转 180°。( L ) FCPW TL 在 10 MHz 至 40 GHz 频段之间不同状态下的传输系数。( M ) 不同扭转条件下的柔性 GAF λ/4 短路谐振器：未扭转、扭转 90°、180°、360° 和 540°。( N ) 在 10 MHz 至 12 GHz 频段之间不同扭转条件下谐振器的反射系数结果。

已采用两种主要方法来实现石墨烯基层压板的高导电性。首先，研究团队最大化了石墨烯微晶的尺寸，这使研究团队能够减少接触电阻的影响。其次，研究团队引入了二次退火工艺和特殊的组装技术，可以将此类石墨烯微晶高度层压、无缺陷地组装成连续薄膜。

首先，GO是通过改进的Hummers方法制备的。分离并收集极LGO，并用作薄膜制造前驱体。经过七次重复离心后，LGO 从 GO 悬浮液（3 wt.%）中分离出来（每次收集底部 30% GO）。通过光学显微镜进行LGO横向尺寸统计研究：LGO横向尺寸>75 μm 占 74%，54% 的 LGO >100 μm。典型的薄片尺寸氧化石墨烯（TGO）在合成时被使用并用作对照实验。LGO组装薄膜是通过在自剥离基材（例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜）上预先计量的LGO水凝胶辊转移涂层来制备的。

随后，将基底上的LGO水凝胶加热（70至80℃）进行干燥。此后，柔软的深棕色独立式纸状GO薄膜（LGO薄膜）可以很容易地从PET基材上剥离下来。在此步骤中，LGO水凝胶的各向异性液晶行为可以在力导向滚动转移后产生预排列的取向结构。

这种高度有序的层压板可以通过高温石墨化工艺转化为米长尺寸的原始玻璃纤维。LGO薄膜在两个石墨板之间的Ar气氛中在1,300℃下热退火2小时，在2,850℃下热退火1小时，以进行还原和石墨结晶。GAF 中巨大的结晶石墨域尺寸是由邻近的还原性 LGO 片材合并形成的。

初次高温退火后，GF 完全石墨化，使得无悬挂键的石墨烯纳米片能够通过大面积的平面接触相互平铺。进一步引入300 MPa压力的滚动压缩以获得最终的GAF。随后的滚动压缩有助于消除层间间隙和接触电阻，也带来优异的柔韧性。

在轧制压缩之后，在Ar气氛中进行2850℃的二次高温退火工艺，以进一步消除轧制过程中的结构损伤，以提高导电率。使用相同的方法但从 TGO 获得 TGF。

结论

何大平团队展示了轻质、柔性、机械超耐用、化学稳定性高和超高导电GAF结构的进步，该结构可应用于5G多频段WCE和电磁防护，以直接比较和克服铜基电子产品的一些主要问题。这些基于 GAF 的 5G 电子设备可以设计成各种复杂的模式并集成到通信系统中，以在整个微波通信频段实现广泛的高级功能。

GAF还在微波和太赫兹频段表现出了优异的电磁屏蔽性能，并且可以设计并制作成超材料来实现选择性电磁波屏蔽。何大平团队的研究表明，高导电GF可以用作射频领域的替代全功能和可持续材料，它可以以更高效和可持续的方式支持当前和下一代柔性电子、WCE和EMI屏蔽应用。石墨烯宏观薄膜可以用作当前和下一代设备中功能齐全且可持续的替代品。

原文：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2209807120#sec-3