仅半年！复旦大学「国家杰青」团队，3篇Nature、Science正刊后，再发Nature大子刊！

随着高效通信系统需求的不断增长，低功耗、低损耗的微波系统成为研究热点。然而，传统硅基微波电路因体结构的梯度掺杂浓度和大量界面陷阱限制，面临高损耗瓶颈。这不仅导致能耗高，还需要额外低效的高功率组件（如功率放大器和移相器）来弥补不足。二维半导体材料凭借其原子级厚度和天然钝化表面，有望突破硅基电路的物理极限。例如，基于二硫化钼（MoS₂）的射频开关展现了低插入损耗、高隔离度和零静态功耗等特性；但此前研究仍停留在器件或组件层面，难以实现系统级集成。另一方面，虽然已有石墨烯射频混频器的片上集成报道，但由于石墨烯无带隙，其晶体管无法彻底关断，造成信号调制能力不足和能耗过高。因此，如何在片上实现低功耗、可集成的二维微波系统，成为亟待解决的挑战。

鉴于此，复旦大学周鹏教授、马顺利教授、包文中研究员报道了一种基于四英寸单层MoS₂晶圆的集成二维微波发射机。研究团队构建了一个4×4移相阵列，可同时支持通信与雷达功能。其关键指标表现优异：单层MoS₂通道在开关中的传输损耗仅为0.51 dB，16单元完整发射机的总功耗为3.2 μW，较传统硅技术低四个数量级以上。该系统在12–18 GHz频段可实现6 GHz带宽、–35°至35°的波束扫描角度、136 m传输距离，并在1000 mAh电池供电下可待机26天。更为重要的是，整个电路板尺寸仅约3×2 cm²，甚至可以集成在昆虫模型中，展现出极高的应用潜力。相关研究成果以题为“Integrated two-dimensional microwave transmitters fabricated on the wafer scale”发表在最新一期《nature electronics》上。

值得一提的是，今年4月，复旦大学集成电路与微纳电子创新学院教授周鹏教授半个月内两次登上国际顶刊《自然》，6月份登《science》，迎来了自己的高光时刻。

【电磁波的低损耗传输】

经典的Maxwell方程组准确描述了电磁波在不同介质中的传输特性。当电磁波在微波频段传播时，介质的极化损耗与导电损耗不可忽视。对于硅基晶体管而言，由于掺杂和退火工艺的限制，通道与衬底介质之间的界面存在较高掺杂浓度和陷阱态，从而导致明显的欧姆损耗和极化延迟。这些问题会显著加剧高频下的传输损耗。相比之下，二维半导体材料具有天然平整的原子界面，可在范德瓦耳斯力作用下与高质量衬底（如蓝宝石）直接贴合，形成近乎理想的半导体—绝缘体界面。图1a展示了MoS₂与Si晶体管在界面损耗上的差异，结果表明二维体系在理论上可实现远低于传统硅结构的介质损耗。

进一步的高频结构模拟（图1b）表明，单层MoS₂与高电阻率蓝宝石基底构建的界面结构，其损耗甚至突破了传统硅模型的介电极限。这一特性为实现超低功耗的微波系统奠定了物理基础。研究团队基于此提出了一种16通道二维相控阵发射机架构，通过时序开关控制实现波束定向，从而避免了传统系统对功耗极高的移相器和放大器的依赖（图1c）。

图 1. 用于电磁波传输的超低损耗单层二维晶体管的分析和展示

【二维微波发射机的低损耗实现】

在实际设计中，研究人员将16个发射单元集成在9.8×10 mm²的区域内（图2a）。输入微波信号经片上功分器和共面波导结构分配为16路，分别驱动各单元。每个单元包含MoS₂晶体管开关、平衡-不平衡变换器（balun）和片上矩形天线（图2d、2e）。这一全片上设计实现了有源器件和无源器件的高度集成，厚度仅102 nm（图2c），为全球最薄的微波发射机。图2f显示了4×4天线阵列的辐射方向性模拟结果，验证了其优良的指向性。

MoS₂开关的性能对于系统相控精度至关重要。实验表明，随机选取的17个MoS₂晶体管开关展现出一致性极高的迁移特性曲线，开关比达到10⁶（图2g）。在15 GHz下，其传输损耗仅为0.51 dB（图2h），远低于传统工艺的开关器件（图2i）。这表明二维开关完全满足高性能阵列发射系统的需求。

图 2. 完全集成的 2D MoS2 微波发射器，具有完整的无源和有源元件

【通信性能与能效优势】

在通信性能测试中，五个二维发射机在–25 dBm输入下展现出超过6 GHz的带宽（图3a），且输出功率与输入呈线性关系（图3b），未出现增益压缩现象。系统支持调幅（AM）与调频（FM）两种调制方式：图3c、3d展示了5 MHz正弦信号的AM过程，而图3e、3f则展示了外部方波信号驱动下的FM结果，频率可在14.903 GHz与14.945 GHz间切换，实现二进制信号传输。

在能效方面，整个16单元发射机的功耗仅为3.2 μW，平均每通道仅0.2 μW，比CMOS或GaAs发射机低104倍以上（图3g）。当传输速率设置为100 Mbps时，单位比特能耗仅为32 fJ·bit⁻¹，明显优于传统硅基发射机。更为重要的是，发射机在12个月运行中功率波动不足0.06 dBm（图3h），展现了长期稳定性。研究团队甚至利用该发射机成功传输了文本信息“Hello, world! This is a 2D transmitter.”（图3i），验证了其实用价值。

图 3. 2D 相控阵发射器的通信性能

【雷达功能与应用拓展】

除通信外，该二维相控阵发射机还可用于雷达探测。研究人员通过现场可编程门阵列（FPGA）控制发射机发出调频连续波（FMCW）信号（图4a）。实测结果表明，天线主瓣角度可在–35°至35°范围内灵活扫描（图4b）。利用傅里叶变换分析反射信号，可精确解析目标的距离和速度信息，空间分辨率达1.875 cm（图4c）。

更具前瞻性的是，研究团队将发射机封装在一个微型昆虫模型中（图4d），实现了“仿生通信”展示。通过编码图像像素为二进制序列，发射机成功传输了“SOS”信号（图4e）。在1000 mAh电池供电下，系统最大传输距离可达136 m，待机时长长达26天（图4f）。这些性能远超传统CMOS发射机（不足1天），显示出其在灾害救援等极端场景中的独特应用前景（图4g）。

图 4. 单层二维相控阵发射机系统的实现及其双功能应用

【总结与展望】

本文系统展示了基于四英寸单层MoS₂晶圆的二维微波发射机，其核心创新在于利用原子级界面大幅降低了电磁波传输损耗。完整的16单元相控阵在通信与雷达功能上均表现出色，总功耗仅3.2 μW，远低于传统硅基方案。研究表明，这类二维集成系统能够突破能耗瓶颈，并具备片上高度集成、小型化和多功能化的显著优势。未来，随着二维材料工艺的进一步成熟，该类超低功耗、双功能的相控阵系统有望在下一代通信、雷达探测、甚至可穿戴和仿生电子领域获得广泛应用，为信息技术的绿色化与智能化发展开辟新路径。

来源：高分子科学前沿

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