CN107634328B

CN107634328B - 一种石墨烯透明天线及其制备方法

Info

Publication number: CN107634328B
Application number: CN201710778399.XA
Authority: CN
Inventors: 邵丽; 史浩飞; 胡承刚; 杨俊�
Original assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Current assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2037-09-01
Also published as: CN107634328A

Abstract

本发明提供一种石墨烯透明天线及其制备方法，该方法包括1)预处理透明基材；2)在透明基材上形成超薄金属层；3)将超薄金属层制作成预定的天线形状；4)在超薄金属层上形成预定天线形状的石墨烯层，制得石墨烯透明天线。本发明将具有较高载流子浓度超薄金属、较高载流子迁移率的石墨烯复合在一起，必要时复合减反增透层，既保证了材料的透光率，又解决材料的导电性问题，从而提高天线的辐射效率。

Description

一种石墨烯透明天线及其制备方法

技术领域

本发明涉及透明天线技术领域，特别是涉及一种石墨烯透明天线及其制备方法。

背景技术

随着无线通信系统的快速发展，其应用场景亦越来越丰富，从而使得无线通信系统对于天线性能的要求越来越多样化。为了使天线获得良好的隐身性、共形性和安全性，1997年，美国国家航空和航天管理局(NASA)的科学家们提出使用光透明薄膜材料来制作透明天线的设想。

光透明薄膜技术提出以后，科学家们开始寻求可用于制作天线的光透明薄膜材料。透光率和表面电阻是衡量一种材料能否用于透明天线的标准，但它们常常是矛盾的关系。2000年，加拿大特伦特大学的Mias利用不同的透明导电材料制作了微带线形式的偶极子天线。利用铝、铜、银、金和ITO光透明薄膜这五种不同的材料制作偶极子天线，并比较其性能。Mias利用蚀刻技术将ITO薄膜印制在玻璃介质上，玻璃介质厚度为0.7mm并同时制作了利用银和金的高导电率金属制作的偶极子天线，因为这两种金属的涂覆厚度很小，在一定程度上是具有光透明特性。将这三种薄金属材料的光透明天线和传统的铜或铝制天线比较，薄金属层制作的天线具有良好的性能，但是光透性较低；利用ITO制作的天线虽然有很高的光透性，但是天线辐射效率低，还需要进一步改进和研究。

近年来的战略新兴材料石墨烯，集优异的光学、电学、力学、化学性能于一身，同时具有很好的高载流子迁移率、无毒性、丰富的资源储量等优势，相对于ITO材料(存在着铟资源短缺昂贵、铟原子扩散、易碎、透过率差、有毒等缺点)，将更适合应用于光透明天线。尤其是石墨烯良好的柔性，将有望实现天线在隐身性、共形性方面的双重要求。受当前化学气相沉积法制备技术的限制，现有方法难以控制石墨烯的晶畴大小、密度、晶格匹配等关键因素，导致当前只能规模化制备出由小晶畴石墨烯拼接而成的多晶石墨烯材料，在多晶石墨烯的晶畴、晶界等缺陷交汇处载流子迁移速率下降，从而难以满足透明天线的要求。

因此，需要寻找一种新的石墨烯透明天线及制备方法，在保证透过率的前提下，解决石墨烯材料的表面电阻问题，以满足其在透明天线领域的技术要求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯透明天线及其制备方法，用于解决现有技术中透明天线的透光率差、导电性差等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种石墨烯透明天线的制备方法，包括如下步骤：

1)预处理透明基材；

2)在所述透明基材上形成超薄金属层；

3)将所述超薄金属层制作成预定的天线形状；

4)在所述超薄金属层上形成预定天线形状的石墨烯层，制得所述石墨烯透明天线。

在本发明的一些实施例中，步骤1)中，预处理透明基材的方法依次包括清洗、吹干、烘烤。

在本发明的一些实施例中，步骤1)中，烘烤温度为80℃，时间为30min。

在本发明的一些实施例中，步骤2)中，采用磁控溅射法、真空镀膜法或电镀法在所述透明基材上形成超薄金属层。

在本发明的一些实施例中，步骤3)中，采用光刻法将所述超薄金属层制作成预定天线形状。

在本发明的一些实施例中，步骤3)中，所述光刻法包括涂光刻胶、紫外曝光、显影、刻蚀、去光刻胶。

在本发明的一些实施例中，步骤4)中，采用化学气相沉积法在超薄金属层上形成预定天线形状的石墨烯层。

在本发明的一些实施例中，还包括步骤5)在所述石墨烯层上形成减反增透层。

在本发明的一些实施例中，步骤5)中，通过旋涂、真空蒸镀、电子束沉积或者磁控溅射法在石墨烯层上形成所述减反增透层。

本发明第二方面提供一种石墨烯透明天线，自下而上依次包括透明基材、位于所述透明基材上且具有预定天线形状的超薄金属层、位于所述超薄金属层上且具有预定天线形状的石墨烯层。

在本发明的一些实施例中，所述透明基材选自玻璃、石英、蓝宝石、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚对二甲苯中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，所述超薄金属层材料选自Cu、Ni、Fe、Al、Ag、Ru中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，所述超薄金属层的厚度为1-20nm。超薄金属层可以提高导电性能，但会影响天线的透明度，影响透光率，因此，厚度的控制至关重要。

在本发明的一些实施例中，所述超薄金属层的厚度为1-5nm。

在本发明的一些实施例中，所述超薄金属层的厚度为5nm。

在本发明的一些实施例中，所述超薄金属层为具有预定天线形状的薄膜或网格。

在本发明的一些实施例中，所述石墨烯层为1-5层碳原子组成的石墨烯薄膜，通常为1-2层碳原子。

在本发明的一些实施例中，所述减反增透层材料选自ZnO、TiO₂、WO₃、CuI、NiOx、CuSCN中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，所述石墨烯层上还设有减反增透层。

在本发明的一些实施例中，所述减反增透层的厚度为3-60nm。

在本发明的一些实施例中，所述减反增透层的厚度为3-30nm。

如上所述，本发明的一种石墨烯透明天线及其制备方法，具有以下有益效果：本发明将具有较高载流子浓度超薄金属、较高载流子迁移率的石墨烯复合在一起，必要时复合减反增透层，既保证了材料的透过率，又解决材料的导电性问题，从而提高天线的辐射效率，适宜于规模化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中的天线形状结构图。

图2为本发明实施例2和实施例3中的天线形状结构图。

图3为本发明实施例1中的石墨烯透明天线结构示意图。

标号说明

1—透明基材

2—超薄金属层

3—石墨烯层

4—减反增透层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指绝对压力。

此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

本实施例中透明基材1的材质为石英片，将石英片衬底放入异丙醇中，超声波清洗30min，然后取出石英片衬底，用纯度为99.999％的氮气吹干后放入真空烤箱内加热至80℃，烘烤30min；在石英片衬底的上表面通过电子束蒸发法镀上一层5nm的超薄铜金属，即为超薄金属层2。

制作具有椭圆形面天线及其馈线结构的天线形状(如图1)掩膜板结构，并利用光刻技术，将超薄金属层制作成具有预定天线形状的超薄金属层2。

具体光刻步骤如下：

(1)涂胶：在超薄铜金属层/石英片上旋涂光刻胶，转速3000rad/s、加速度为3000rad/s²、旋涂时间为30s；

(2)前烘：在热板900℃温度下烘15min，除去胶层内的溶剂，以增加光刻胶和衬底的附着力；

(3)紫外曝光：利用光刻机曝光，曝光时间为35s；

(4)显影：使用薄胶显影液去除未被曝光的光刻胶，显影时间30s，将掩膜板上的天线形状转移到光刻胶涂层上；

(5)后烘：在烘箱里900℃烘30min；

(6)刻蚀：利用配置好的刻蚀液，腐蚀时间为25s，刻蚀不需要的金属；

(7)去光刻胶：将步骤(6)处理结束后的样品放入配置好的NaOH水溶液中去除光刻胶，然后用去离子水洗净，制得具有天线形状的超薄金属层/石英片样品。

然后，将具有天线形状的超薄铜金属层/石英片放入CVD炉的腔体内，通入氩气，将CVD炉腔体内的温度升至1000℃，向CVD炉的腔体内通入甲烷气体，甲烷气体在铜金属表面成核，并生成具有天线形状的石墨烯层，生长时间为20min，生长完毕后停止加热，停止通入甲烷，继续通入氩气，待腔体降至室温，取出具有天线形状的石墨烯层/超薄金属层/石英片。

最后，在手套箱中将30mg/mL的CuI水溶液旋涂在具有天线形状的石墨烯层/ 超薄金属层/石英片的表面，随后置于120℃的热板上退火20min，冷却取出，制得具有天线形状的CuI层/石墨烯层/超薄金属层/石英片。

如图3所示为本实施例制得的透明天线结构示意图，自下而上依次为透明基材1、超薄金属层2、石墨烯层3、减反增透层4，超薄金属层2、石墨烯层3具有预定的天线形状。

本实施例所制备的透明天线，可见光透过率约为85％，方块电阻约为1.2Ω/sq；在工作频段内，天线VSWR<2.2。

实施例2

将石英片衬底放入异丙醇中，超声波清洗30min，然后取出石英片衬底，用纯度为99.999％的氮气吹干后放入真空烤箱内加热至80℃，烘烤30min；在石英片衬底的上表面通过电子束蒸发法镀上一层5nm的超薄铜金属。

制作掩膜板结构(如图2所示)，该掩膜板宏观结构为椭圆形面天线及其馈线形状，天线内部结构为网格形态，网格周期为500μm，线宽为4nm，占空比10％，厚度为5nm。

然后，采用与实施例1相同的光刻方法，将超薄金属层制作成具有预定天线形状的超薄金属网格层。

其次，将具有天线形状的铜金属网格层/石英片放入CVD炉的腔体内，通入氩气，将CVD炉腔体内的温度升至1000℃，向CVD炉的腔体内通入甲烷气体，甲烷气体在铜金属表面成核，并生成具有天线形状的石墨烯层，生长时间为20min，生长完毕后停止加热，停止通入甲烷，继续通入氩气，待腔体降至室温，取出具有天线形状的石墨烯层/超薄金属网格层/石英片，网格状的超薄金属层无需再设置减反增透层。

本实施例所制备的透明天线可见光透过率约为90％，方块电阻约为7.8Ω/sq；在工作频段内，天线VSWR<2.5。

实施例3

制作掩膜板结构(如图2所示)，该掩膜板宏观结构为椭圆形面天线及其馈线形状，天线内部结构为网格形态，网格周期为500um，线宽为4nm，占空比10％，厚度为5nm。

然后，采用与实施例1相同的光刻方法，将超薄金属层制作成具有预定天线形状的超薄金属网格层。随后，将具有天线形状的铜金属网格层/石英片放入CVD炉的腔体内，通入氩气，将CVD炉的腔体内的温度升至1000℃，向CVD炉的腔体内通入甲烷气体，甲烷气体在铜金属表面成核，并生成具有天线形状的石墨烯层，生长时间为20min，生长完毕后停止加热，停止通入甲烷，继续通入氩气，待腔体降至室温，取出具有天线形状的石墨烯层/超薄金属网格层/石英片。

最后，以纯度优于99.99％的Ar作为沉积气氛，采用磁控溅射法射频溅射生长NiO_x，制备过程中衬底温度为室温，Ar压力为0.8Pa。NiO_x靶材离基底垂直距离为55mm。采用RF磁控溅射，最后生长的NiO_x厚度为30nm，取出，制得具有天线形状的NiO_x层/石墨烯层/ 超薄金属网格层/石英片。

本实施例所制备的透明天线，可见光透过率约为90％，方块电阻约为8Ω/sq；在工作频段内，天线VSWR<2.6。

综上所述，本发明将具有较高载流子浓度超薄金属、较高载流子迁移率的石墨烯复合在一起，必要时复合减反增透层，既保证了材料的透过率，又解决材料的导电性问题，从而提高天线的辐射效率，复合材料的方块电阻能为0.1-100Ω/sq，可见光波段平均透光率＞80％，稳定性好，辐射效率高。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种石墨烯透明天线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)预处理透明基材：将透明基材放入异丙醇中，超声清洗后用氮气吹干，加热烘烤；所述透明基材选自玻璃、石英、蓝宝石、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对二甲苯中的至少一种；

2)采用磁控溅射法、真空镀膜法或电镀法在所述透明基材上形成超薄金属层，所述超薄金属层(2)的厚度为1-20nm，所述超薄金属层材料选自Cu、Ni、Fe、Al、Ag、Ru中的至少一种；

3)采用光刻法将所述超薄金属层制作成具有预定天线形状的薄膜或网格，所述光刻法包括如下步骤：①涂胶：在超薄金属层上旋涂光刻胶；②前烘：经烘烤除去胶层内的溶剂；③紫外曝光：利用光刻机曝光；④使用薄胶显影液去除未被曝光的光刻胶，将掩膜板上的天线形状转移到光刻胶涂层上；⑤后烘：在烘箱烘烤；⑥刻蚀：利用刻蚀液刻蚀不需要的金属；⑦去光刻胶：将步骤⑥处理结束后的样品放入NaOH水溶液中去除光刻胶，然后用水洗净，制得具有天线形状的超薄金属层/透明基材样品；

4)采用化学气相沉积法在所述超薄金属层上形成预定天线形状的石墨烯层，制得所述石墨烯透明天线；

所述化学气相沉积法为：将具有天线形状的超薄金属层/透明基材样品放入CVD炉的腔体内，通入氩气，将CVD炉腔体内的温度升至1000℃，向CVD炉的腔体内通入甲烷气体，甲烷气体在铜金属表面成核，并生成具有天线形状的石墨烯层，生长时间为20min，生长完毕后停止加热，停止通入甲烷，继续通入氩气，待腔体降至室温，取出具有天线形状的石墨烯层/超薄金属层/透明基材，即所述石墨烯透明天线。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤5)在所述石墨烯层上形成减反增透层，通过旋涂、真空蒸镀、电子束沉积或者磁控溅射法在石墨烯层上形成所述减反增透层，所述减反增透层的材料选自ZnO、TiO₂、WO₃、CuI、NiOx、CuSCN中的至少一种。

3.一种石墨烯透明天线，其特征在于：自下而上依次包括透明基材(1)、位于所述透明基材(1)上且具有预定天线形状的超薄金属层(2)、位于所述超薄金属层(2)上且具有预定天线形状的石墨烯层(3)，所述超薄金属层(2)为具有预定天线形状的薄膜或网格，所述超薄金属层(2)的厚度为1-20nm，所述超薄金属层(2)材料选自Cu、Ni、Fe、Al、Ag、Ru中的至少一种；所述透明基材(1)选自玻璃、石英、蓝宝石、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对二甲苯中的至少一种；所述石墨烯透明天线的制备方法如权利要求1所示。

4.根据权利要求3所述的石墨烯透明天线，其特征在于：所述超薄金属层(2)的厚度为1-5nm。

5.根据权利要求3所述的石墨烯透明天线，其特征在于：所述石墨烯层(3)上还设有减反增透层(4)，所述减反增透层(4)的材料选自ZnO、TiO₂、WO₃、CuI、NiOx、CuSCN中的至少一种；所述石墨烯透明天线的制备方法如权利要求2所示。

6.根据权利要求5所述的石墨烯透明天线，其特征在于：所述减反增透层(4)的厚度为3-30nm。