深入研究用于高频无线电通讯的聚酰亚胺
随着 5G 技术的不断发展，科学家和工程师们已经开始探索新的方法，以提升 6G 的性能。5G 和 6G 面临的最大挑战之一是极高频率下的工作对无线通信产生的许多不利影响。在接近太赫兹范围的频率下，信号衰减和干扰等问题更加突出，保持信号完整性变得更加困难。通过使用具有出色介电性能的绝缘材料，可以大大缓解其中一些问题。目前，基于玻璃和陶瓷的绝缘材料占据主导地位，但它们的高成本和制造复杂性使它们在很大程度上不适合大规模生产的设备，而这些设备是高端 6G 所需要的。聚合物材料会是更好的替代品吗？
为了回答这个问题，东京工业大学的一个研究小组对聚酰亚胺 (PI) 进行了研究，这种材料正作为适合高频操作的材料而受到越来越多的关注。该团队由安藤真司教授领导，刘浩南也参与其中，其最新论文于 2024 年 6 月 6 日发表在《应用物理快报》上。
“聚酰亚胺因其优异的热稳定性、机械韧性、柔韧性、重量轻和良好的介电性能而脱颖而出。然而，PI 的分子结构与其介电性能之间的相关性尚未完全确定，”Ando 解释说。“目前对 GHz 频率范围内 PI 介电性能的研究仅限于 60 GHz 以下，这对下一代介电 PI 材料指针的设计造成了严重阻碍。”
研究团队试图通过测量和分析具有不同分子结构的 11 种 PI 的介电性能来解决这一知识空白。为此，他们使用了一种称为法布里-珀罗谐振器的设备，这是目前唯一已知的适合测量 110-330 GHz 范围内低耗散因数薄膜介电性能的工具。
研究人员利用谐振器测量了聚酰亚胺的介电常数 (D k ) 和耗散因数 (D f )。需要说明的是，D k和 D f都代表了材料以不同方式储存能量的能力，较低的值对于最大限度地减少信号损失和保持高频信号完整性至关重要。
所有 11 种聚酰亚胺都表现出相当典型的 D k和 D f曲线，随着频率的增加，这些值持续下降。值得注意的是，氟含量较高的聚酰亚胺表现出较低的 D k值。特别是，全氟聚酰亚胺表现出比其他聚酰亚胺低得多的 D k和较小的 D f ，并且 D k和 D f的频率依赖性也非常小。另一个特别有趣的发现是，D f的增加与极性分数呈负相关——即由极性官能团组成的聚合物质量的百分比。
总的来说，这项研究的结果为 PI 的介电特性提供了一些急需的启示。这些数据最终可能为更快、更可靠的电信铺平道路，使工程师能够利用太赫兹范围，同时克服相关挑战。当然，还需要付出更多努力来确定最适合这些目的的 PI 类型。
Ando 评论道：“太赫兹范围内的光谱研究将帮助我们间接推断不同结构 PI 在高频下的介电响应的起源。”
安藤放眼未来，总结道：“希望我们的发现能够有利于开发用于 6G 技术的高性能聚合物绝缘材料。”
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