DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-025-00521-5
تاريخ النشر: 2026-01-21
المؤلف: Feifei Lin وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد MXene وMAX Phase
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك مسحوق Ti₃AlC₂ (99.99 wt%)، LiF (99 wt%)، هيدروكلوريد الدوبامين (98 wt%)، ومخزن ثلاثي المغنيسيوم (1 M، pH = 8.5)، تم الحصول عليها من موردين موثوقين. كما تم استخدام حمض الهيدروكلوريك (HCl)، وتم استخدام جميع المواد كما هي دون مزيد من التنقية. كانت الركيزة العازلة المستخدمة هي Rogers RT5880.
شملت تقنيات التوصيف المجهر الإلكتروني الماسح (FESEM، Hitachi S-4800) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM، Hitachi HT7700) للتصوير، بينما تم إجراء حيود الأشعة السينية (XRD) باستخدام جهاز حيود Bruker AXS D8 Advance مع إشعاع Cu Kα (λ = 1.5406 Å) عبر نطاق 2θ من 5.0-60.0°. تم تقييم الخصائص الكهربائية باستخدام جهاز اختبار رقمي كهربائي مزدوج بأربعة مجسات (ST2263) لمقاومة ورقة الفيلم الرقيق، وتم قياس معلمات S (S₁₁ و S₂₁) لخطوط النقل (TLs) باستخدام محلل شبكة متجهة (VNA، Rohde & Schwarz ZVA67). بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام CST Microwave Studio لنمذجة خطوط النقل الدقيقة Ti₃C₂ وهوائيات نهاية النار واسعة النطاق mmWave بناءً على البولاريتونات السطحية (SSPPs). تم تطوير منصة اتصالات لاسلكية باستخدام تقنية Xilinx.
نتائج
تظهر نتائج الدراسة التطوير الناجح لهوائيات mmWave المرنة باستخدام أحبار Ti$_3$C$_2$، والتي تعالج قيود الهوائيات التقليدية القائمة على النحاس من حيث القابلية للتكيف والمرونة الميكانيكية. تظهر مواد Ti$_3$C$_2$ موصلية كهربائية وخصائص ميكانيكية متفوقة، مما يجعلها مناسبة لهوائيات عالية الأداء مصممة للأجهزة المحمولة التي تتطلب نقل لاسلكي عالي السرعة، كبير السعة، ومنخفض الكمون. تتضمن عملية التصنيع طباعة بثق دقيقة لأحبار Ti$_3$C$_2$، والتي تم تحسينها لخصائص الريولوجيا ومعلمات الطباعة، مما يؤدي إلى حبر مستقر بخصائص لزجة متغيرة مواتية.
حققت الهوائيات المصنوعة بالكامل من Ti$_3$C$_2$، التي يبلغ قياسها 18.6 مم × 57 مم وسماكتها 0.137 مم، زيادة قصوى قدرها 5.8 dBi ضمن نطاق التردد من 25-49 GHz، متفوقة على العديد من الهوائيات المرنة التي تم الإبلاغ عنها سابقًا. يتضمن التصميم المبتكر هياكل متعددة الطبقات وتقنيات طباعة دقيقة للإلكترونيات الدقيقة، مما يسمح بأنماط معقدة تعزز الأداء الكهرومغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الهوائيات مرونة ميكانيكية ممتازة، مع حد أدنى من تغير المقاومة بعد دورات انحناء مكثفة. تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات هوائيات Ti$_3$C$_2$ المطبوعة للتطبيقات في اتصالات 5G/6G وغيرها من التقنيات اللاسلكية المتقدمة، بينما تقترح أيضًا أعمالًا مستقبلية لتحسين الموصلية الكهربائية لـ Ti$_3$C$_2$ من أجل أداء معزز.
مناقشة
في هذه المناقشة، يقدم المؤلفون التصنيع الناجح لهوائيات mmWave نهاية النار واسعة النطاق المطبوعة بالكامل من Ti₃C₂ باستخدام البولاريتونات السطحية (SSPPs). حققت عملية التصنيع عامل تعبئة ملحوظ قدره 99.94% من خلال تعديلات دقيقة على معلمات الطباعة، مما أدى إلى هوائيات تظهر عرض نطاق مقاومة واسع من 25-49 GHz وزيادة عالية تصل إلى 5.8 dBi. من الجدير بالذكر أن هذه الهوائيات تحافظ على أدائها حتى بعد 2000 دورة انحناء بزاوية 180°، مما يدل على قوتها للتطبيقات الإلكترونية المرنة. إن القدرة على نقل فيلم HD كامل في الوقت الحقيقي تحت تشوه ميكانيكي تمثل علامة فارقة مهمة لهوائيات Ti₃C₂ في اتصالات mmWave 5G/6G.
شملت تحضير أحبار Ti₃C₂ سلسلة من العمليات الكيميائية لإنتاج صفائح نانوية مناسبة للطباعة عالية الدقة. استخدمت تقنية الطباعة نظام تحديد موقع نقطتين لضمان ترسيب الطبقات بدقة، بينما تم معالجة الركيزة العازلة لتعزيز نقل الموجات الكهرومغناطيسية. تم تصميم ومحاكاة الهوائيات باستخدام CST Microwave Studio، مع التركيز على تحسين خصائص انتشار SSPPs للإشعاع الفعال. تم دعم التحليل النظري لنمط إشعاع الهوائي من خلال قياسات تجريبية في غرفة صامتة بعيدة، مما يؤكد قدرات الهوائي ويمهد الطريق للتقدم في الهوائيات المرنة عالية الأداء لأنظمة الاتصالات من الجيل التالي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-025-00521-5
Publication Date: 2026-01-21
Author(s): Feifei Lin et al.
Primary Topic: MXene and MAX Phase Materials
Methods
In this study, various materials were utilized, including Ti₃AlC₂ powder (99.99 wt%), LiF (99 wt%), Dopamine Hydrochloride (98 wt%), and Trismagnesium buffer (1 M, pH = 8.5), sourced from reputable suppliers. Hydrochloric acid (HCl) was also employed, and all materials were used as received without further purification. The dielectric substrate utilized was Rogers RT5880.
Characterization techniques included scanning electron microscopy (FESEM, Hitachi S-4800) and transmission electron microscopy (TEM, Hitachi HT7700) for imaging, while X-ray diffraction (XRD) was performed using a Bruker AXS D8 Advance diffractometer with Cu Kα radiation (λ = 1.5406 Å) across a 2θ range of 5.0-60.0°. Electrical properties were assessed using a dual electric digital four-probe tester (ST2263) for thin-film sheet resistance, and the S-parameters (S₁₁ and S₂₁) of the transmission lines (TLs) were measured with a vector network analyzer (VNA, Rohde & Schwarz ZVA67). Additionally, CST Microwave Studio was employed for modeling Ti₃C₂ microstrip TLs and ultra-wideband mmWave endfire antennas based on surface plasmon polaritons (SSPPs). A wireless communication platform was developed using Xilinx technology.
Results
The results of the study demonstrate the successful development of flexible mmWave antennas using Ti$_3$C$_2$ inks, which address the limitations of conventional copper-based antennas in terms of conformability and mechanical flexibility. The Ti$_3$C$_2$ materials exhibit superior electrical conductivity and mechanical properties, making them suitable for high-performance antennas designed for portable devices requiring high-speed, large-capacity, and low-latency wireless transmission. The fabrication process involves precise extrusion printing of Ti$_3$C$_2$ inks, which are optimized for rheological properties and printing parameters, resulting in a stable ink with favorable shear-thinning viscoelastic characteristics.
The fabricated all-Ti$_3$C$_2$ antennas, measuring 18.6 mm × 57 mm and with a thickness of 0.137 mm, achieved a peak gain of 5.8 dBi within the frequency range of 25-49 GHz, outperforming many previously reported flexible antennas. The innovative design incorporates multilayer structures and precise microelectronic printing techniques, allowing for intricate patterns that enhance electromagnetic performance. Additionally, the antennas demonstrated excellent mechanical flexibility, with minimal resistance variation after extensive bending cycles. The study highlights the potential of Ti$_3$C$_2$-printed antennas for applications in 5G/6G communication and other advanced wireless technologies, while also suggesting future work to improve the electrical conductivity of Ti$_3$C$_2$ for enhanced performance.
Discussion
In this discussion, the authors present the successful fabrication of flexible all-Ti₃C₂-printed ultra-wideband mmWave endfire antennas utilizing surface plasmon polaritons (SSPPs). The manufacturing process achieved a remarkable filling factor of 99.94% through meticulous adjustments of printing parameters, resulting in antennas that exhibit a wide impedance bandwidth of 25-49 GHz and a high gain of up to 5.8 dBi. Notably, these antennas maintain their performance even after 2000 bending cycles at a 180° angle, demonstrating their robustness for flexible electronic applications. The ability to transmit a full HD movie in real-time under mechanical deformation marks a significant milestone for Ti₃C₂ antennas in 5G/6G mmWave communications.
The preparation of Ti₃C₂ inks involved a series of chemical processes to produce nanosheets suitable for high-precision printing. The printing technology employed a two-point positioning system to ensure accurate layer deposition, while the dielectric substrate was treated to enhance electromagnetic wave transmission. The design and simulation of the antennas were conducted using CST Microwave Studio, focusing on optimizing the SSPPs’ dispersion characteristics for effective radiation. The theoretical analysis of the antenna’s radiation pattern was supported by experimental measurements in a far-field anechoic chamber, confirming the antenna’s capabilities and paving the way for advancements in flexible, high-performance antennas for next-generation communication systems.