Graphène imprimé hautement flexible et conducteur pour les applications de communications portables sans fil

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 18298 (2016) Citer cet article

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Dans cet article, nous présentons du graphène imprimé hautement conducteur, très flexible, léger et peu coûteux pour les applications de communications portables sans fil. À titre de preuve de concept, des lignes de transmission et des antennes imprimées au graphène sur des substrats en papier ont été conçues, fabriquées et caractérisées. Pour explorer son potentiel dans les applications de communications portables, des lignes de transmission et des antennes mécaniquement flexibles sous divers boîtiers courbés ont été étudiées expérimentalement. Les résultats des mesures démontrent que le graphène imprimé peut être utilisé pour la transmission, le rayonnement et la réception de signaux RF, ce qui représente certaines des fonctionnalités essentielles du traitement des signaux RF dans les systèmes de communication portables sans fil. De plus, le graphène imprimé peut être traité à basse température afin qu'il soit compatible avec les matériaux flexibles sensibles à la chaleur comme les papiers et les textiles. Ce travail nous rapproche de la perspective de mettre en œuvre dans un avenir proche des systèmes de communication portables sans fil à faible coût et respectueux de l'environnement, activés par le graphène.

Les communications portables sans fil sont un domaine d'intérêt de recherche croissant en raison des nombreux potentiels offerts dans des domaines tels que la surveillance des soins de santé et de la condition physique1,2, les réseaux mobiles/Internet3, la peau intelligente4,5,6 et les vêtements fonctionnels7 pour n'en citer que quelques-uns. Le frontal radiofréquence (RF) est un élément de base de tout système de communication, qui transmet et reçoit des signaux RF. Un frontal RF comprend des composants passifs tels que des antennes, des lignes de transmission (TL) et des réseaux d'adaptation d'impédance et des circuits actifs tels qu'un amplificateur de puissance, un amplificateur à faible bruit (LNA), un mélangeur de fréquence et un oscillateur local8 pour n'en nommer que quelques-uns. Traditionnellement, un frontal RF est principalement assemblé à l’aide de la technologie PCB (circuit imprimé), ce qui pose un défi de taille en matière d’intégration avec des substrats flexibles tels que les papiers et les textiles4. Pour résoudre ce problème, le revêtement/placage de métal sur des fils textiles a été proposé9,10. Cependant, dans ces approches, même si les métaux étaient déposés sur des substrats flexibles, les procédures de fabrication étaient compliquées et peu efficaces, et les matériaux utilisés étaient coûteux et ne convenaient pas à un déploiement de masse dans des applications portables sans fil à faible coût. Des nanofils d'argent (AgNW), des polymères conducteurs et des nanotubes de carbone ont également été développés pour des applications électroniques portables. Bien que l'AgNW soit hautement conducteur11, pour obtenir une résistance de feuille suffisamment faible pour les applications RF, un revêtement d'AgNW relativement épais est nécessaire11,12 (230 pour près de 11), ce qui entraîne un coût élevé pour la production de masse car l'argent est rare et cher13. Quant au polymère conducteur, bien qu'il puisse être utilisé pour des composants électroniques flexibles tels que des capteurs et des cellules solaires, sa conductivité est trop faible pour être utilisée pour la transmission de signaux RF et le rayonnement14,15. Le polymère conducteur est également limité par l’instabilité chimique et thermique16. Les nanotubes de carbone, avec une résistance de feuille typique supérieure à , en raison de la résistance de jonction élevée entre les nanotubes superposés17,18, ne sont toujours pas suffisamment conducteurs pour répondre aux exigences pratiques des circuits RF.

Cependant, le graphène, l'allotrope du nanotube de carbone, est un matériau très prometteur pour les applications de communications portables sans fil en raison de sa conductivité élevée et de ses propriétés uniques5,19. À ce jour, les chercheurs ont exploré de manière approfondie les applications du graphène pour fabriquer des dispositifs actifs tels que des transistors et des diodes. Un modulateur numérique quaternaire a été réalisé à l'aide de deux transistors en graphène5. Des amplificateurs dans les bandes RF ont été démontrés expérimentalement avec des transistors à effet de champ au graphène20,21. D'autres dispositifs actifs tels qu'un mélangeur de fréquence22,23 et un oscillateur24,25 ont également été démontrés. Plus récemment, un circuit intégré (CI) de récepteur RF monolithique en graphène effectuant une amplification, un filtrage et une conversion vers le bas du signal a également été signalé26.