【科普知识】6G时代，7大关键材料大盘点

6G是继5G之后的第六代移动通信网络，对比5G，6G频段在100GHz-10THz，峰值传输速度高达100Gbps~1Tbps，通信延迟小于0.1毫秒。而与之对应的是，该技术对于天线、半导体等相关材料的性能提出了严苛的要求。相关新材料的发展将成为制约通信频率往毫米波、太赫兹普及的关键因素。围绕6G的技术特征，我们梳理了6G时代的7大关键材料，一起来看看吧。
一 超材料
超材料是指自然材料通过人工手段加工设计后，具有自然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料或结构。例如，涂敷在物体表面的结构化材料可以使光沿锐角折射，从而有效地隐藏该表面下的物体，使其在某些波长的光下隐身。目前研究较多的几种超材料包括：左手材料、复合左/右手传输线、光子晶体、隐形衣、电磁黑洞等。超材料在6G中的具体应用包括但不限于天线、信号增透/屏蔽膜、信号偏转器等。

天线

6G天线的研究中，在MIMO天线中引入超材料的主要是为了减小（甚至是消除）天线间的互耦影响。Baccarelli在理论上对基板的散射方程进行了数学分析，提出了以左手材料作为天线基板抑制表面波TE模、TM模的条件。他指出将左手材料作为天线基板可以减少天线的边缘散射，提高天线的辐射效率；而将左手材料与右手材料复合作为天线基板，可抑制天线边沿辐射，减少天线阵元间的干扰，同时提高天线方向性。超材料结构可以大大提高天线结构的性能，其中包括开口谐振环结构、周期性结构、分形结构和其他超材料结构，它们可用于设计具有具备大幅增益、更宽带宽以及独特方向图的天线。值得注意的是许多超材料增强型天线可以使用低成本电子电路制造技术在平面支撑材料上制造。因此，可以利用阵列天线、蜂窝天线及DAS等现代平板天线设计实现超材料天线的低成本制造。

智能反射表面（RIS）

从外表上看，这只是一张平平无奇的矩形薄板，却可以灵活部署在无线通信传播环境中，并实现对反射或者折射电磁波的频率、相位、极化等特征的操控，从而达到重塑无线信道的目的。这种技术，就叫“可重配智能表面”，也叫“智能反射表面”，英文为RIS（Reconfigurable Intelligence Surface）或者IRS（Intelligent Reflection Surface），有望在5G-Advanced协议中开始标准化，也被认为是6G关键技术之一。RIS的技术基础，则是一种被叫做“信息超材料”的人工材料，这种材料可通过数字编码实现对里面人工原子状态的动态控制，从而实时操控电磁波。日本Toppan公司开发出一种具有蚀刻超表面（RIS）结构的轻质柔性片材，可以在特定方向反射5G和6G毫米波（具体是28GHz频段）无线电波，通过安装于办公室、厂房等室内空间的墙壁，在无线电盲区内实现高速、多连接通信。

来源：Toppan

未来，Toppan表示将开发户外使用和面向未来6G移动通信的RIS产品，确保创建超高速、超低延迟、安全可靠的多连接数据通信环境。同样，中国移动研究院、东南大学、杭州钱塘信息有限公司也共同研制开发了一种名为“信号增透/屏蔽膜”产品，这种信号增透/屏蔽膜就是一种新型的超材料，它是在透明介质（如玻璃、塑料）表面贴附印有大量周期性排列的透明导电单元，通过对单元电磁结构的特殊设计组成阵面，可实现对空间电磁环境的重构。信号增透/屏蔽膜具有易部署、低成本及环境适用性高等特点，在提升通信覆盖范围、提高无线通信质量的同时保证了较高的透光率，具有广阔的应用前景。据悉，该技术有望在5G-Advanced（5G-A）网络中提前落地，并成为未来6G网络关键候选技术之一。

信号偏转器

8月，日本东北大学工学研究生院的一个研究小组开发出了可以在广角范围内控制太赫兹波方向的技术，其预计将在包括第六代移动通信（6G）无线接入系统在内的很多领域得到应用。6G移动系统用到的太赫兹频段波长很短，很容易被障碍物阻挡，因此需要一种控制传播方向并高效传输它们的新技术。

来源：日本东北大学

这个研究小组开发的这种由硅亚波长结构组成的新型透射超材料，并制造了太赫兹波无线电信号偏转器用以将太赫兹无线电波的传播方向改变到所需的方向。其采用半导体微加工技术制造，具有体积小、量产性优异的特点。
二 第三代半导体材料
以GaN、SiC、AlN为代表的第三代半导体材料在5G建设中发挥了重要的作用。为进一步减小器件尺寸、提高电路集成度、降低功耗等，6G的发展离不开微纳电子技术的革新和半导体材料的发展。例如，将量子材料和半导体材料结合，可以大幅度减小材料的尺寸，通过降低维度使材料中的量子尺寸效应、量子干涉效应和量子遂穿效应更加显著。基于超材料的太赫兹功能器件，如太赫兹调制器、太赫兹波导、太赫兹滤波器等的发展同样离不开第三代半导体材料。随着数据流量增加、宽带升级与频率提高，通信组件与电子器件需要更高频、更耐高温、更高功率的半导体材料。

半导体材料发展历程

来源：赛瑞研究生产太赫兹以上频率的芯片是6G高频段目前的瓶颈之一。其中功率芯片是高频通信的核心器件，在这一领域如砷化镓、氮化镓、磷化铟异质结等化合物半导体由于拥有比硅基半导体更适合高频组件的高电子迁移率等优势受到了广泛关注，这一类材料作为高电子迁移率晶体管具备很大的潜力，对此未来lll-V族化合物的应用将变得更广泛。国内外都对氮化镓材料展开了研究，例如德国基于氮化镓实现了芯片性能的突破，100GHz以上的连续输出，且位于更高的频段。各类研究进展说明，氮化镓未来在100GHz以上甚至300GHz频段，都会保持一定优势。教育部长江学者特聘教授、西安电子科技大学教授马晓华表示，硅基可能是一个新的体系挑战。面向未来的研究方向，一是继续找更强表面极化的材料，比如氮化镓以及氮面材料，再就是继续优化低的界面结构和工艺，进一步减小栅的尺寸。基于这一系列提升，未来可以形成硅基的功率以及处理器，和有源无源的集成系统，应用场景就会有出现明显扩展。业界需要从结构和架构上努力，硅基氮化镓以及毫米波器件一定会取得新突破。
三聚四氟乙烯（PTFE）
PTFE具有低损耗、小介电常数和较好的绝缘性，PTFE薄膜是制造电容器、无线电绝缘衬垫、绝缘电缆、马达及变压器的理想材料，也是航空航天、军工、5G通讯等工业电子部件不可缺少的材料，PTFE优异的介电性也使其成为6G高频覆铜板基材的重要备选材料之一。

PTFE乳液和细粉应用于高频覆铜板的制作

来源：中英科技招股说明书
四聚苯醚（PPO）
聚苯醚（PPO），又称聚 2,6-二甲基-1,4-苯醚，是一种耐高温的非结晶性的热塑性塑料，最早是由美国通用电气在1959 年通过氧化偶联 2,6-二甲基苯酚（DMP）所制备的。氧化偶联的原理是含有活泼氢的单体在催化剂的氧化作用下发生脱氢与偶联反应生成直链型聚合物PPO。PPO分子结构中无强极性基团，使其具有低介电常数和介电损耗，且在一个宽的温度和频率的变化范围内其介电性几乎不受影响。其分子链中含有大量的苯环结构致使分子具备较强的刚性。PPO分子中无可水解的基团，在各种环境中耐水性都很优秀，且PPO阻燃性和耐热性良好，具有可自熄性。更重要的是，作为覆铜板基体树脂可沿用传统环氧树脂基材的成型工艺及设备。因此PPO被是较为理想的M6（极低损耗，Df：0.002-0.005）、M7等级的覆铜板树脂材料

PPO树脂的合成与结构

来源：CNKI
五液晶聚合物LCP
LCP作为一种液晶高分子化合物，具有高强度、高耐热性、极小的线膨胀系数极小、阻燃性和介电性质优良等特点。LCP的分子主链上存在大量的刚性苯环，这决定了LCP独特的加工性质，LCP加热到一定温度时，只要稍微给一点剪切力就会拥有水一样的流动性，这一特性使LCP更容易成型薄壁或薄膜产品。电子电气是LCP的主要市场，除了柔性覆铜板以外，LCP还可应用于制造天线。这是因为在高频阶段，MPI的传输将受到限制，该波段LCP优势明显，更高频率的信号传输要求以及生产成本降低将促使LCP材料加快替代进程。
六 石墨烯
石墨烯是已知的导热系数最高的物质，理论导热率达到5300W/（m*K），远高于石墨，它是由单层碳原子经电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维晶体，厚度仅为0.335nm，又称为单层石墨，是碳纳米管、富勒烯的同素异形体。石墨烯的快速导热特性与快速散热特性，使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料，成为6G行业中广泛应用的导热散热材料。除此之外，石墨烯还可以用于核心的半导体领域以及6G相关的辅助器件（超级电容器、散热元件和天线等）。

石墨烯散热示意图（华为P40 Pro）

来源：XYZONE由于6G设备需要的能量将比现在的4G和5G手机更少，可以使用超级电容器来取代锂电池。超级电容器虽然容量不如锂电池，但拥有比锂离子电池更高的能量密度、更长的使用寿命和更快的充放电速度，因此在对容量需求较低时是更好的储能选择。石墨烯卓越的导电性、比表面积以及与新电解质材料的兼容性使其成为超级电容器的首选材料之一。同时，石墨烯基赝电容也得到了广泛的研究，根据预测其甚至具有比超级电容器更加广阔的发展前景。
七七. 电磁屏蔽材料（导电布、导电橡胶、导电泡棉、导电涂料、吸波材料、导电屏蔽胶带等）太赫兹波段的电磁波比穿透力差，衰减大，覆盖能力会大幅度减弱，因此6G对信号的抗干扰能力要求很高，需要大量的电磁屏蔽器件。目前，广泛应用的电磁屏蔽材料主要有导电布、导电橡胶、导电泡棉、导电涂料、吸波材料、导电屏蔽胶带等。

产品名称	说明	作用
导电布	在聚酯纤维上，先化学沉积或金属物理转移金属镍到聚酯纤维上，在镍上再镀上高导电性的铜层，在铜层上再电镀上防氧化防腐蚀的镍金属	电磁屏蔽效果，屏蔽范围在100K-3GHz
导电橡胶	将玻璃镀银、铝镀银、银等导电颗粒均匀分布在硅橡胶中，通过压力使导电颗粒接触，达到良好的导电性能。	主要作用是密封和电磁屏蔽，屏蔽性能高达120dB（10GHz）
导电泡棉	在阻燃海绵上包裹导电布，经过一系列的处理后，使其具有良好的表面导电性	良好的屏蔽性能，导电性能和阻燃性能
导电涂料	防电磁波干扰屏蔽涂料，俗称导电漆，采用含铜、银等复合微粒作为导电颗粒，具有良好导电性能的一种油滦。	使完全绝缘的非金属或非导电表面具有吸收、传导和衰减电磁波的特征，屏蔽电磁波干扰
吸波材料	采用硅胶、氯丁橡胶等为基材，能吸收微波、电磁能而反射与散射较小的材料	吸收电磁波、杂波抑制、抗电磁干扰、阻燃等
金属屏蔽器件	可选用铍铜、不锈钢作为材料	宽频率的屏蔽性能，良好的导电、耐压、耐磨、可塑性和机械性能。
导电屏蔽胶带	带高导电背胶的金属箔或导电布，其导电背胶和导电基材组成完整的导电体	用于密封EMI屏蔽室，壳体和电子设备的接缝，缠绕电缆进行屏蔽，提供可靠的接地表面，对不能焊接的表面提供电接触。

来源：赛瑞研究目前，商业化应用的电磁屏蔽材料主要包括金属屏蔽罩、改性导电毡、导电高分子掺杂橡胶、泡棉、导电涂料、屏蔽胶带等等。未来6g应用将对电磁屏蔽材料提出更高的要求，例如需要柔性轻质、耐恶劣环境、宽频率波段、高屏蔽效能等。科研方面目前在二维金属碳氮化合物MXene，碳基化合物，液态金属，气凝胶复合材料等方面是研究热点。