為了有效信息傳輸和通信，5G和6G網絡需要更多的天線、更大的帶寬和更高的基站密度。因此，未來幾年對射頻電子器件的需求將飆升。例如，到2025年全球5G基站的數量預計將達到6500萬個。隨著射頻電子設備，特別是移動終端的爆炸性增長，電磁污染也是亟需解決的難題。

幾十年來，射頻電子器件和電磁屏蔽材料通常都是由金屬基結構制成的。然而，隨著對柔性、高度集成度、輕量化、制造工藝以及在更高頻率下工作的需求不斷增長，基于金屬材料的結構難以滿足射頻電子器件的發展需求。此外，隨著電子產品數量的增加，電子垃圾對環境的影響越來越大，下一代消費電子產品的可持續發展變得至關重要。

自首次開發以來，無線通信和電磁干擾 (EMI) 屏蔽設備中的導電材料主要由金屬結構制成。武漢理工大學何大平團隊提出了一種石墨烯組裝薄膜（GAF），可用于在此類實用電子產品中替代銅。

GAF的優勢

基于 GAF 的天線具有很強的防腐性能

圖1：GAF作為偶極子天線及其防腐性能。( A ) GAF 和銅偶極子天線的數碼照片，( B ) 不同材料天線在帶寬中的測量增益。( C ) 不同材料天線在 865 MHz 下的增益。( D ) GAF 天線的 3D 輻射方向圖仿真。( E ) GAF 和銅天線的 E 平面和 H 平面的輻射方向圖。( F和G )分別是E平面和H平面輻射方向圖的測量環境。( H ) 參考文獻中的偶極子天線增益與本工作結果的比較。（J) 經過 1 周和 2 周鹽霧處理后的 GAF 和銅偶極天線的數碼照片。( K ) 測量和模擬 |S 11 | GAF 天線，初始，1 周和 2 周鹽霧后。( L ) 測量 |S 11 |銅天線，初始、1 周后和 2 周鹽霧。( M ) 在 865 MHz 下測量的 GAF 和銅天線在初始鹽霧、1 周后和 2 周鹽霧情況下的增益。

經過兩周的鹽霧處理，增益、反射系數等電性能保持不變，而銅天線被腐蝕破壞。

更高的工作帶寬

GAF超寬帶天線覆蓋3.7 GHz至67 GHz的頻率范圍，帶寬（BW）為63.3 GHz，比銅箔天線超過約110%。與銅天線相比，GAF第五代（5G）天線陣列具有更寬的帶寬和更低的旁瓣電平。我們還證實，GAF 超材料作為靈活的頻率選擇表面，表現出有前途的頻率選擇特性和角度穩定性。

更高的電導率

GAF電導率高達2.58×106 S/m。經過200000次彎曲試驗（彎曲半徑為1.5mm），石墨烯組裝膜可以保持其高柔性和導電性，不會造成結構損傷。為了研究石墨烯組裝膜在5G技術和柔性電子領域的能力，他們展示了基于石墨烯的柔性共面波導傳輸線和諧振器在各種扭曲條件下的性能穩定性。石墨烯基的偶極天線具有良好的反射系數和高增益性能，與銅天線相當。

更出色的電磁屏蔽效能

圖2：GAF應用于EMI防護。( A – F ) 在 2.6 GHz 至 0.32 THz 頻率范圍內，15 μm 和 50 μm 厚度的 GAF 以及 10 μm 和 50 μm 厚度的銅的 EMI SE（圖例相同），( A ) 2.6至 18 GHz（矩形波導法），( B ) 18 至 26.5 GHz（矩形波導法），( C ) 26.5 至 40 GHz（矩形波導法），( D ) 40 至 67 GHz（自由空間法），( E ) 75 至 110 GHz（自由空間方法），以及 ( F ) 0.22 至 0.3235 THz（自由空間方法）。?

GAF 的 EMI 屏蔽效能 (SE) 也優于銅，在 2.6 GHz 至 0.32 THz 頻率范圍內高達 127 dB，每單位厚度的 SE 為 6,966 dB/mm。優于相同厚度的銅材料。

在完全的電磁屏蔽之外，很多情況下對電磁場的選擇性屏蔽也很重要，以保證其他頻段的正常傳輸。FSS作為超材料的一員，由結構單元周期性排列而成，可以選擇性地吸收、反射和傳輸電磁波，是實現頻率選擇的有效途徑。GAF FSS的選頻性能經過測試后在0°~40°的彎曲角度變化范圍內保持穩定，在電磁波±30°入射角范圍內保持了良好的選頻性能。具備較高的角穩定性。

GAF 制造

圖3：GAF表征。?( A ) 橫向尺寸為 108 μm 的典型大尺寸 GO 片的 TEM 圖像。( B )通過在SiO 2表面上滴鑄LGO溶液制備的LGO片材的光學顯微鏡圖像。插入的是相應的LGO尺寸分布的統計研究。( C ) GAF 的 XRD 圖譜和拉曼光譜。( D ) GAF、石墨、高取向熱解石墨 (HOPG) 和典型片狀尺寸 GO 組裝薄膜 (TGF) 的電導率總結，插圖為 SAXS 圖案。（E）GAF經過20萬次重復彎曲測試后的電阻變化，證明持久的柔韌性和穩定性。( F ) 860 MHz趨膚深度與化學還原、真空過濾、熱還原GO膜等方法制備的GF、石墨烯墨水、碳納米管(CNT)和MXene的導電層厚度相關。( G和H ) MTL 的模擬 ( G ) 和測量 ( H ) 傳輸系數。( I和J ) 不同頻率 ( I ) 和電導率 ( J )下的導體損耗。?( K) 柔性 GAF FCPW TL 彎曲直徑為 60 毫米、40 毫米、20 毫米并扭轉 180°。( L ) FCPW TL 在 10 MHz 至 40 GHz 頻段之間不同狀態下的傳輸系數。( M ) 不同扭轉條件下的柔性 GAF λ/4 短路諧振器：未扭轉、扭轉 90°、180°、360° 和 540°。( N ) 在 10 MHz 至 12 GHz 頻段之間不同扭轉條件下諧振器的反射系數結果。

已采用兩種主要方法來實現石墨烯基層壓板的高導電性。首先，研究團隊最大化了石墨烯微晶的尺寸，這使研究團隊能夠減少接觸電阻的影響。其次，研究團隊引入了二次退火工藝和特殊的組裝技術，可以將此類石墨烯微晶高度層壓、無缺陷地組裝成連續薄膜。

首先，GO是通過改進的Hummers方法制備的。分離并收集極LGO，并用作薄膜制造前驅體。經過七次重復離心后，LGO 從 GO 懸浮液（3 wt.%）中分離出來（每次收集底部 30% GO）。通過光學顯微鏡進行LGO橫向尺寸統計研究：LGO橫向尺寸>75 μm 占 74%，54% 的 LGO >100 μm。典型的薄片尺寸氧化石墨烯（TGO）在合成時被使用并用作對照實驗。LGO組裝薄膜是通過在自剝離基材（例如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜）上預先計量的LGO水凝膠輥轉移涂層來制備的。

隨后，將基底上的LGO水凝膠加熱（70至80℃）進行干燥。此后，柔軟的深棕色獨立式紙狀GO薄膜（LGO薄膜）可以很容易地從PET基材上剝離下來。在此步驟中，LGO水凝膠的各向異性液晶行為可以在力導向滾動轉移后產生預排列的取向結構。

這種高度有序的層壓板可以通過高溫石墨化工藝轉化為米長尺寸的原始玻璃纖維。LGO薄膜在兩個石墨板之間的Ar氣氛中在1,300℃下熱退火2小時，在2,850℃下熱退火1小時，以進行還原和石墨結晶。GAF 中巨大的結晶石墨域尺寸是由鄰近的還原性 LGO 片材合并形成的。

初次高溫退火后，GF 完全石墨化，使得無懸掛鍵的石墨烯納米片能夠通過大面積的平面接觸相互平鋪。進一步引入300 MPa壓力的滾動壓縮以獲得最終的GAF。隨后的滾動壓縮有助于消除層間間隙和接觸電阻，也帶來優異的柔韌性。

在軋制壓縮之后，在Ar氣氛中進行2850℃的二次高溫退火工藝，以進一步消除軋制過程中的結構損傷，以提高導電率。使用相同的方法但從 TGO 獲得 TGF。

結論

何大平團隊展示了輕質、柔性、機械超耐用、化學穩定性高和超高導電GAF結構的進步，該結構可應用于5G多頻段WCE和電磁防護，以直接比較和克服銅基電子產品的一些主要問題。這些基于 GAF 的 5G 電子設備可以設計成各種復雜的模式并集成到通信系統中，以在整個微波通信頻段實現廣泛的高級功能。?

GAF還在微波和太赫茲頻段表現出了優異的電磁屏蔽性能，并且可以設計并制作成超材料來實現選擇性電磁波屏蔽。何大平團隊的研究表明，高導電GF可以用作射頻領域的替代全功能和可持續材料，它可以以更高效和可持續的方式支持當前和下一代柔性電子、WCE和EMI屏蔽應用。石墨烯宏觀薄膜可以用作當前和下一代設備中功能齊全且可持續的替代品。

編輯：黃飛

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