重庆诺奖二维材料研究院康斯坦丁教授团队毛博阳博士PNAS综述：铜膜和石墨烯组装膜在5G无线通信和太赫兹电磁干扰屏蔽中的比较
近日，重庆诺奖二维材料研究院毛博阳博士与诺贝尔物理学奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授共同撰写论文“Comparison of copper and graphene-assembled films in 5G wireless communication and THz electromagnetic-interference shielding”，发表于国际顶级学术期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（IF=13.451）。
内容概要
自首次发展以来，无线通信和电磁干扰（EMI）屏蔽器件中的导电材料主要是由金属基结构制成的。在这里，我们提出了一种石墨烯组装薄膜（GAF），它可以用来取代铜在这种实际的电子学中。GAF基天线具有较强的防腐性能。GAF超宽带天线的频率范围为3.7 GHz~67 GHz，带宽（BW）为63.3 GHz，比铜箔天线高出~110%。与铜天线相比，GAF第五代（5G）天线阵具有较宽的带宽和较低的旁瓣电平。GAF的EMI屏蔽效率（SE）也优于铜，在2.6 GHz至0.32THz的频率范围内可达127 dB，单位厚度的SE为6,966 dB/mm。我们还证实了GAF超材料作为柔性频率选择表面具有良好的频率选择特性和角稳定性。
与以前报道的石墨烯结构不同，GAF可以直接用于商业消费电子产品，以实现先进的功能。GAF器件具有一些特定的性能和/或更好的性能，例如：灵活性、较强的防腐性能、更宽的带宽、较高的屏蔽效果等。我们的研究表明，石墨烯宏观薄膜可以作为当前和下一代器件的一种功能齐全和可持续的替代品。
数据概览
图（1）
图1.GAF表征。(A)透射电镜图像为一个典型的大尺寸氧化石墨烯片，横向尺寸为108μm（绿色线代表氧化石墨烯片的边缘）。(B)光学显微镜下LGO片的图像2表面插入的是对应的LGO大小分布的统计研究（蓝色箭头表示氧化石墨烯薄片的大小）。(C)GAF的XRD模式和拉曼光谱。(D)总结了GAF、石墨、高取向焦解石墨（HOPG）和典型片状氧化石墨烯组装膜（TGF）的电导率，插入物为SAXS图案。(E)GAF的阻力变化与200,000次重复弯曲试验，以证明持久的柔韧性和稳定性（红色圆圈表示弯曲部分的放大倍数）。(F)通过化学还原、真空过滤、热还原氧化石墨烯薄膜等方法、石墨烯油墨、碳纳米管（CNT）和MXene制备的GF，在860 MHz下的皮肤深度与导电率和导电层厚度有关。（G和H）MTL的模拟(G)和测量的(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可弯曲，直径为60 mm、40 mm、20 mm ，扭曲尺寸为180°。(L)FCPW TL在10MHz~40GHz频带（红色、橙色60mm、40mm、蓝色20mm、紫色扭曲）的传输系数。(M)柔性GAF λ/4短路谐振器：扭曲90°、180°、 360°、540°。(N)谐振器的反射系数在不同的扭曲条件下，在10 MHz和12 GHz频带（红色平坦，橙色-90°，波浪-180°，蓝色-360°和紫色-540°）。
图（2）
图2.GAF作为一种偶极子天线及其防腐性能。(A)GAF和铜偶极天线的数码照片，(B)不同材料天线的测量增益。(C)不同材料基天线在865 MHz下的增益。GAF天线的(D)三维辐射模式模拟。(E)GAF和铜天线的E平面和h平面的辐射模式。（F和G）e平面和h平面辐射模式的测量环境。(H)偶极天线增益与本工作结果的比较。（I和J）一周和两周盐雾后GAF和铜偶极天线的数码照片。(K)测量和模拟的|S11GAF天线，初始|，1周和2周盐雾后。(L)测量|S11|铜天线，初始，1周后，2周盐雾。(M)在初始、1周和2周盐雾后，GAF和铜天线的测量增益。
图（3）
图3.GAF应用于6ghz以下无线通信系统和毫米波天线。(A)带有GAF天线的手机数码照片。放大的GAF手机天线数码照片： (B)蓝牙天线，(C) WiFi天线，(D)主通信天线。(E)带有GAF天线的无人机的数码照片。(F)放大的GAF无人机天线的数码照片。(G)GAF可穿戴天线和天线阵的测量辐射模式，虚线和实线分别为可穿戴天线和天线阵的辐射模式，红线为e平面，蓝线为h平面。(H)测量的传输系数（蓝线）、GAF天线阵列（红线）和可穿戴天线（绿线）的增益。（一）GAF UWB天线的结构，总体尺寸为UWB、S7= SW= 50 mm; R = 10 mm, F7= 20 mm, FW= 0.8 mm, G7.7= 0 mm, GW= 1 mm.(J)GAF UWB天线的数码照片。(K)测量（实线）和模拟（虚线）|S11UWB天线的|。(L)元件间距为3/4λ的GAF毫米波天线阵列示意图。(M)GAF毫米5G天线的140个元素阵列的数码照片。(N)GAF和铜5G毫米波天线阵列的测量（实线）和模拟（虚线）反射系数和增益。（O和P）测量了e平面和h平面的辐射模式，(Q)模拟了GAF和铜5G毫米波天线阵列的三维辐射模式。
图（4）
图4.GAF应用于EMI保护。（A-F）在2.6 GHz至0.32 THz频率范围内，GAF的EMI SE为15μ和50μ厚度，厚度为10μ和50μ厚度的铜（相同图例），(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（自由空间法）和(F) 0.22至0.3235THz（自由空间法）。（G和H)将参考文献中的SE和SE/t与本工作的结果进行了比较（文献中给出的频带的最佳结果）(具有相同的图例）。
图（5）
图5.基于GAF的FSS。(A)低于6ghz的半透明GAF FSS的数码照片，有12个×12元素（红色矩形显示FSS元素的放大）。GAF FSS在3.5 GHz处的(B)电场分布（颜色条表示电场强度的振幅）。(C)电磁波斜入射时GAF FSS的透射系数。(D)带有40×40个元素的毫米波半透明的GAF FSS的数码照片（红色的圆圈表示FSS元素的放大倍数）。（E和F）GAF FSS在不同弯曲状态和电磁波斜入射状态下的透射系数。
成果总结
在这里，我们展示了一种轻质、柔性、耐机械疲劳、高化学稳定、超高导电的GAF结构的进展，该结构可以直接应用于5G多波段WCE和电磁保护，以克服铜基电子学的一些主要问题。这些基于GAF的5G电子设备可以被设计成各种复杂的模式，并集成到通信系统中，从而在整个微波通信频段内实现广泛的先进功能。GAF在微波和太赫兹频段中也表现出了优异的电磁屏蔽性能，它可以被设计和制造成超材料，以实现选择性的电磁波屏蔽。我们的研究表明，高导电性GF可以作为射频领域的替代全功能和可持续材料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。
关键词
石墨烯组装膜| 5G技术|柔性电子产品|无线通信|电磁保护
原文链接
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2209807120
研究院简介
重庆诺奖二维材料研究院由2010年诺贝尔物理学奖得主、石墨烯发明人之一的康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授担任名誉院长并牵头组建科研团队，专注于以石墨烯为代表的二维材料应用、规模化制备和微纳结构测量表征等核心技术攻关和产业化。目前已与英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院达成合作，形成了“应用研发+基础理论研究”的“双研发基地”。
2015年10月，国家主席习近平参观英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院，康斯坦丁教授陪同介绍。2019年1月，时任国家总理李克强在外国专家建言会中与康斯坦丁教授会谈。
拓展阅读
《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , 缩写 PNAS）是被引用次数最多的综合学科文献之一，周刊。它是美国国家科学院的院刊，亦是公认的世界四大名刊（Cell，Nature，Science，PNAS）之一，百年经典期刊。创刊至今，PNAS提供具有高水平的前沿研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、学术论文以及美国国家科学学会学术动态的报道和出版。PNAS收录的文献涵盖医学、化学、生物、物理、大气科学、生态学和社会科学，在SCI综合科学类排名第三位。