太空环境对电子器件提出了极端考验。
高能粒子、宇宙射线等空间辐射无处不在,会导致航天器搭载的电子器件性能严重退化,甚至引发灾难性故障,直接威胁航天器的在轨寿命和任务成功。
这一难题长期制约着航天通信系统的可靠性和持久性。
复旦大学集成电路与微纳电子创新学院副教授马顺利、教授周鹏团队从基础理论出发,深入研究粒子辐射效应机制。
他们发现,原子层级厚度的材料在理论上会积累最小的辐射诱导损伤,从而实现对空间辐射的天然免疫。
这一发现表明,原子层级二维材料具备传统硅基材料所不具备的抗辐射优势,有望成为构建下一代空间电子系统的理想选择。
基于这一理论认识,研究团队采用晶圆级二维工艺,设计并制备了基于单层二硫化钼的4英寸抗辐射集成射频发射机-接收机系统。
该系统具有小尺寸、超低功耗和本征抗辐射能力等特点,可直接应用于星载通信领域。
在轨验证结果令人瞩目。
"青鸟"系统搭载"复旦一号(澜湄未来星)"卫星成功发射至距地球约517公里的低地球轨道。
经过9个月的在轨运行,系统传输数据的误码率仍低于10的负8次方,展现了卓越的抗辐射性能和长期稳定性。
这一成绩充分验证了二维电子器件在实际空间环境中的可靠性。
性能指标对比更加突出了该技术的优势。
理论计算表明,即使在辐射环境更为恶劣的地球同步轨道上,"青鸟"系统的在轨寿命预计仍达271年,较传统硅基系统提升了两个数量级。
同时,该系统的功耗仅为传统硅基射频系统的五分之一,显著降低了对星上能源的需求,在严苛的功率预算约束下仍能维持高性能通信。
这些优势对于长期在轨运行的航天器至关重要。
这项突破具有重要的战略意义。
原子层半导体抗辐射电子技术的成功验证,为下一代卫星互联网、深空探测任务和地外基地建设提供了新的技术支撑。
同时,该技术的发展也加速了二维材料从基础研究向工程应用的转化,推动了二维电子学的产业化进程。
从实验室到浩瀚太空,中国科学家用创新材料重新定义了空间电子器件的性能边界。
这项突破不仅展现了基础研究与应用需求的深度融合,更预示着我国在新材料航天应用方面正从"跟跑"转向"领跑"。
当二维材料走出教科书、飞向宇宙,人类探索太空的征程又增添了一份来自东方的科技支撑。