新型抗輻射電子電路可在惡劣太空中持續工作超過270年

這種基于四英寸晶圓、僅一個原子厚的電子系統，成功通過了強伽馬射線測試，并在軌運行了九個月。

太空對電子設備并不友好。在地球保護性磁場之外，衛星會遭受宇宙射線和高能粒子的轟擊，這些粒子會逐漸侵蝕精密的電路。

隨著時間的推移，這些肉眼不可見的撞擊可能會使數據損壞、元件受損，并縮短航天器的壽命。為了克服這一挑戰，工程師們通常會增加厚重的屏蔽層，但這額外的重量會增加發射成本，并限制任務的有效載荷。

現在，復旦大學的一個研究團隊為這個問題提出了一種有趣的解決方案。他們用一種非常薄且堅固的材料來制造電子設備，這種材料本身幾乎不會受到輻射的傷害。在測試中，他們這種原子級厚度的通信系統不僅能在軌運行數月，而且據預測，在更嚴酷的太空環境中能持續運行數百年。

用單原子層制造電子設備

研究人員使用了二硫化鉬，這是一種可以制成僅一個原子層厚（約0.7納米）的化合物。在這種尺度下，可供入射輻射造成損害的材料極少。理論上，高能粒子穿過如此薄的薄片時，不會產生那種通常會毀壞傳統硅芯片的缺陷。

為了將這一想法付諸實踐，研究團隊首先在一片4英寸的晶圓上生長出一大片均勻的單層二硫化鉬薄膜。然后，他們用這片晶圓制造了晶體管——電子電路的基本構件。這些晶體管隨后被組裝成一個功能完整的射頻通信系統，工作頻率在12到18吉赫茲之間。更重要的是，該系統同時包含了發射器和接收器，這意味著它可以像真實衛星中使用的那樣發送和接收信號。

研究作者指出："基于4英寸晶圓級的單層二維二硫化鉬工藝，我們實現了一個基于原子層晶體管的抗輻射射頻系統，該系統同時包含發射器和接收器，可用于星載通信。"

在真實條件下測試系統

在將任何設備送入太空之前，研究人員在地球上對電路進行了壓力測試。他們用強伽馬射線轟擊這些設備，以模擬電子設備在軌道上經歷的環境。然后，他們使用先進的成像工具仔細檢查了材料。透射電子顯微鏡使他們能夠觀察原子結構。能量色散X射線光譜學檢查了化學成分是否發生變化。拉曼光譜掃描了薄膜上的多個點以檢測結構損傷。

結果令人驚訝。原子薄層中沒有發現明顯的結構或化學退化跡象。在電性能方面，這些設備的表現幾乎與輻照前完全一樣。它們保持了超高的開關比，顯示出極小的電流泄漏，并且功耗很低——這對能量受限的航天器來說是一個重要特性。

最終的考驗來自太空。該團隊將基于二硫化鉬的通信系統發射到約517公里高度的近地軌道。在九個月的時間里，該設備在太空的惡劣輻射環境中運行。

研究作者表示："值得注意的是，在軌運行9個月后，該系統在傳輸數據中保持了低于10??的誤碼率，表明其具有顯著的輻射耐受性和長期穩定性。"作為演示，該系統成功傳輸并接收了完整的復旦大學校歌，清晰度完美。

此外，根據在軌收集的輻射數據和太空環境模型，研究人員估計，他們的系統在地球同步軌道（其輻射水平遠高于近地軌道）中能夠承受驚人的271年之久。

原子薄電子設備的未來

如果這些結果在未來任務中得到驗證，原子薄電子設備可能會徹底改變航天器設計。衛星可以不再依賴笨重的屏蔽層，而使用本質上就抗輻射的電路。這將減輕重量，降低發射成本，并為科學儀器或通信有效載荷騰出空間。壽命更長的電子設備還可以延長衛星、深空探測器和高等軌道通信平臺的工作壽命。

然而，仍然存在挑戰。例如，當前的系統展示了射頻通信能力，但完整的航天器電子設備涉及許多其他組件，包括處理器、存儲系統和電源管理單元。擴大生產規模、將二硫化鉬與現有技術集成，以及在更長時間的任務中證明其可靠性，將是下一個重要步驟。

該研究發表在《自然》雜志上。

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