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武汉理工大学何大平教授:石墨烯组装膜应用于射频微波技术 精选

已有 3078 次阅读 2024-5-6 09:53 |个人分类:AMR Account|系统分类:论文交流

武汉理工大学何大平教授:石墨烯组装膜应用于射频微波技术

近日,武汉理工大学何大平教授团队的AMR述评文章“Graphene Assembled Films for Radio Frequency and Microwave Technology”在线发表,并被选为封面文章,主要总结了团队在高性能石墨烯组装膜规模化制备及其在射频微波相关领域中实现金属替代所做的努力,并讨论了当前存在的技术瓶颈,为后续研究和产业化发展提供了重要参考。

关键词:石墨烯组装膜;天线阵列;RFID;可穿戴;超表面;电磁防护

Graphene assembled films exhibit exceptional properties, enabling them to achieve "metal-substitution" of electrical performance and "metal-transcendence" of physical and chemical properties in various devices such as antennas and antenna arrays, flexible electronics, RFID, and metasurfaces, which have significant implications for various fields including 5G communication, Internet of Things, and wearable technology.

 石墨烯组装膜具有优异的电学、力学、热学、化学稳定等性能,在天线和天线阵列、柔性电子、RFID、超表面等各种射频微波器件中实现了“金属替代”和物理化学性能的“金属超越”,对5G通信、物联网、可穿戴技术等各个领域具有重要意义。

01 文章内容简介

随着信息技术的飞速发展,人们已进入万物互联的智能时代,对射频微波技术提出了更高要求。然而,基于铜、金等传统金属材料的电子器件存在易氧化、比重大、散热能力有限、柔韧性差和加工过程污染大等问题,无法满足下一代射频微波器件的多元化应用需求。石墨烯组装膜是一种新型碳材料,具有良好的导电性和导热性,并兼具机械稳定性高、化学稳定性强、密度小等特性,在射频微波领域显示出了巨大的应用潜力。基于高导电石墨烯组装膜的射频微波器件表现出与金属器件相似的电性能,并且具备轻质、柔性、耐腐蚀、散热快、抗疲劳的优势,使其能够应用于更加智能化与高集成化的工作场景。因此,石墨烯组装膜的应用推动了射频微波技术发展,有助于实现射频微波领域的金属替代。

这篇文章中,我们主要总结了团队在高性能石墨烯组装膜规模化制备及其在在射频微波器件中应用所做的工作。通过材料优化、器件设计和加工工艺研发,我们成功实现了石墨烯组装膜在无线通信、可穿戴器件、电磁防护以及电磁调控等领域中的应用。首先,我们概述了石墨烯组装膜的制备方法,并重点介绍了石墨烯组装膜优异的电学、力学、热学和化学稳定性能,以及实现“金属替代”的可行性。随后,我们讨论了石墨烯组装膜在射频微波技术中的应用,包括天线和天线阵列、柔性器件、RFID和超表面。石墨烯电子器件不仅继承了石墨烯组装膜优异的轻质、柔性、耐腐蚀和抗疲劳特性,还具有优于传统金属射频微波器件的低辐射副瓣和超宽工作带宽等性能。最后,我们总结了当前石墨烯组装膜在射频微波技术领域应用的瓶颈,为后续研究和产业化发展提供了重要参考。

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02 请问您选择该领域的初心是?

作者团队:

信息技术迅速发展的时代下,我们一直在思考新材料研究如何助力信息科技的进步,“新材料之王”石墨烯具有超高电子迁移率和超高导热性能,同时兼具柔性、轻质与耐腐蚀特性,在电子信息器件中极具发展前景。鉴于单层或少层石墨烯粉体在应用上的局限性,石墨烯组装膜以其在宏观状态下所表现出的优异导电、导热和耐弯折等特性成为新一代优秀的电子信息器件材料。选择这一领域,我们希望能够打破传统射频微波器件的局限,实现“金属替代”,使电子产品能够适应高集成度的智能化应用,更好地服务万物互联和移动通信的发展。

我们期待通过不断的研究与创新,克服石墨烯组装膜在射频微波器件应用中的挑战,为未来的电子信息系统和器件带来更加卓越的性能和更广泛的应用前景。

03 请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会!

作者团队:

尽管石墨烯组装膜在射频微波技术领域应用中取得了重大进展,但仍然存在很多挑战。首先,石墨烯组装膜的电导率与石墨烯的理论极限值之间仍然存在明显的差距。其次,目前石墨烯组装膜射频微波器件研究主要集中在60 GHz以下的频段,太赫兹频段甚至光波段的研究相对缺乏。此外,石墨烯组装膜具有优异的耐腐蚀性和无菌性能,在植入式无线通信电子中具有很大应用潜力。最后,随着电导率的不断提高,集成高效率的石墨烯器件和电路的射频系统将实现完全的“金属替代”,为射频和微波技术的跨越式突破带来新的解决方案。

作者团队简介

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宋荣国,工学博士。研究方向为石墨烯、MXene等新型材料研究,天线阵列、柔性可穿戴器件、超表面等射频微波器件研制及其工程化应用。先后主持国家实验室基金项目、博士后基金面上项目等研究课题。任Crystals期刊客座编辑。目前已在PNASScience BulletinAccounts of Materials ResearchEnergy & Environmental MaterialsCarbon等期刊以第一作者/通讯作者发表学术论文20余篇,授权国家发明专利2项。

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张芮雪,武汉理工大学理学院无线电物理专业硕士研究生。2021年于武汉理工大学获得理学学士学位,目前师从何大平教授,研究方向主要为基于人工表面等离激元的多模式多频段天线。

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祖浩然,工学博士,武汉理工大学信息学院特任教授,校“15551”第二层次引进青年拔尖人才,毕业于天线与微波技术国家重点实验室。长期从事电磁与射频器件的设计、工程化应用,主要包括各类高性能通讯天线、超材料电磁器件、微波射频器件等。近5年发表各类SCI期刊20余篇,包括第一作者发表Nature ElectronicsIEEE TAPIEEE AWPL等电子通信类顶刊。目前担任IEEE TAPIEEE AWPL等天线领域期刊审稿人,研究成果多次受MIT Technology ReviewDeep Tech等科技杂志媒体报道。

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何大平,工学博士,武汉理工大学教授理学院副院长,先后在中国科学技术大学、英国巴斯大学、剑桥大学从事博士后研究工作;为武汉汉烯科技有限公司创始人,担任湖北省射频微波应用工程中心主任、湖北省宏观石墨烯专业型研究所所长。主要研究方向为宏观石墨烯膜材的调控及工业应用。先后承担科技部重点研发计划专项课题、国家自然科学基金等项目20余项。目前已在PNASNat. Commun.Adv. Mater.等国际期刊上发表学术论文100余篇,授权国家发明专利20余项。担任国际期刊National Science Review学科编辑,Interdisciplinary Materials编委。获“英国皇家学会牛顿学者”、湖北省“高层次人才计划(创业)”等荣誉,2023年带领团队获全国“工人先锋号“荣誉。

课题组主页:

http://wlsys.whut.edu.cn/work/index.html

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课题组合照

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Graphene Assembled Films for Radio Frequency and Microwave Technology

Rongguo Song, Ruixue Zhang, Haoran Zu, and Daping He*

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00023

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