當(dāng)我們仰望星空，想象著衛(wèi)星在軌道上靜謐飛行時，很少會意識到，這些太空設(shè)備正時刻承受著來自宇宙深處的高能粒子轟擊。這些肉眼看不見的輻射，恰恰是人類太空探索中最隱蔽而致命的挑戰(zhàn)之一。然而，現(xiàn)實往往比想象更為嚴峻：隨著衛(wèi)星功能的日益復(fù)雜，對電子系統(tǒng)的要求呈指數(shù)級增長，而傳統(tǒng)硅基電子器件在太空輻射面前的脆弱性，已成為制約深空探測與空間技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。
在此背景下，空間電子系統(tǒng)的抗輻射能力顯得尤為重要。無論是通信衛(wèi)星、科學(xué)探測衛(wèi)星，還是未來的深空載人任務(wù)，電子系統(tǒng)的可靠性直接決定了任務(wù)的成敗。然而，傳統(tǒng)解決方案往往面臨兩難困境：要么增加厚重的物理屏蔽層導(dǎo)致載荷重量劇增，要么采用特殊工藝制造抗輻射芯片，但成本高昂且性能提升有限。如何在極端太空環(huán)境中實現(xiàn)電子系統(tǒng)的高性能、高可靠與輕量化，成為全球航天科技界亟待攻克的難題。
復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院副教授馬順利、教授周鵬團隊研制的“青鳥”原子層半導(dǎo)體抗輻射射頻通信系統(tǒng)，依托“復(fù)旦一號(瀾湄未來星)”衛(wèi)星平臺，在國際上首次實現(xiàn)基于二維電子器件與系統(tǒng)的在軌驗證，奠定了二維電子系統(tǒng)在前沿空間任務(wù)中的獨特競爭力，并開辟了“原子層半導(dǎo)體太空電子學(xué)”的創(chuàng)新領(lǐng)域。
實驗數(shù)據(jù)表明，“青鳥”系統(tǒng)在太空輻射環(huán)境下表現(xiàn)出了卓越的穩(wěn)定性和可靠性，其核心器件在經(jīng)歷高能粒子轟擊后，性能衰減幅度遠低于傳統(tǒng)硅基器件。傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體材料中，高能粒子撞擊會產(chǎn)生貫穿多個原子層的損傷軌跡，就像子彈穿過磚墻留下一條破壞通道。而二維原子層材料的厚度僅相當(dāng)于單層磚，粒子撞擊只能產(chǎn)生局部、可控的微小缺陷，這些缺陷對器件整體性能的影響微乎其微?？梢哉f，二維材料以其“薄到極致”的特性，將輻射損傷的“面攻擊”轉(zhuǎn)化為了可承受的“點攻擊”。
這項成果的深遠意義在于它同時解決了多個維度的問題。從技術(shù)層面看，它證明了一種全新抗輻射技術(shù)路徑的可行性；從科學(xué)層面看，它奠定了二維電子系統(tǒng)在前沿空間任務(wù)中的獨特競爭力；更令人振奮的是，它開創(chuàng)了一個全新的交叉學(xué)科領(lǐng)域——“原子層半導(dǎo)體太空電子學(xué)”。這一領(lǐng)域?qū)⒍S材料科學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)與空間環(huán)境工程緊密結(jié)合，為未來的太空科技發(fā)展提供了全新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)框架。
展望未來，這項突破性研究將可能引發(fā)連鎖反應(yīng)。輕量化、高性能的抗輻射電子系統(tǒng)將使更小、更智能的衛(wèi)星成為可能，大幅降低太空任務(wù)的成本門檻。在深空探測領(lǐng)域，這類技術(shù)將為火星、木星乃至更遙遠星球的探測任務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)支持。更重要的是，它打開了一扇通往“原子級精確”太空電子學(xué)的大門，未來科學(xué)家或許能夠像搭積木一樣，通過堆疊不同功能的原子層材料，定制出適應(yīng)各種極端太空環(huán)境的專用電子系統(tǒng)。
相關(guān)研究成果Radiation-tolerant atomic-layer-scale RF system for spaceborne communication發(fā)表于國際期刊《自然》(nature)。
參考來源：中國科學(xué)報
