上海
半导体是现代绝大多数电子器件的核心基础材料，而当半导体的厚度达到原子层，竟可以直接“无视”来自外太空的辐射！
由复旦大学周鹏、马顺利团队研制的“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统，依托“复旦一号”卫星平台，在国际上首次实现二维半导体（即原子层半导体）抗辐射射频通信系统的在轨验证。简单说，过去需要数公斤保护层的太空通信系统，今后在一枚“裸奔”的原子层半导体芯片上就能实现，同时使用寿命还大大延长，这无疑为人类的太空探索增添了新利器。
今天（1月29日）凌晨，相关成果以《面向星载通信的原子层级抗辐射射频系统》为题发表在国际顶刊《自然》上。
4英寸原子层半导体抗辐射射频通信芯片。
寿命提升100倍，功耗降至五分之一以下
人类探索太空世界的最大“敌人”，就是那些长期积累、会让电子器件报废的宇宙辐射。
在浩瀚宇宙中，高能粒子、宇宙射线无处不在，它们会导致航天器电子器件性能退化，最终无法使用。一旦电子系统在太空中失效，几乎无法维修。
“对星载电子通信系统而言，太空有免费的太阳能，也不需要地面那样庞大的制冷系统，但抗辐射是绕不开的。”论文通讯作者、复旦大学集成电路与微纳电子创新学院教授周鹏告诉记者，目前主流的抗辐射方案，如增加屏蔽层或采用冗余加固电路，虽能提升可靠性，却也带来了体积增大、重量上升、功率攀升等代价。而在航天领域，一公斤载荷的发射成本往往高达数万元。
传统技术范式下，这个问题几乎无解。复旦团队则提出了一种反向思考：既然“穿盔甲”不灵了，何不利用物质本身的特性？基于粒子辐射效应的理论推导，团队发现，当材料薄至单原子层级时，高能粒子会像穿过透明玻璃一样直接穿透，几乎不产生累积损伤。为了说明这一原理，周鹏还援引了一句古诗——“他强由他强，清风拂山岗。”
团队基于单层原子厚度的二硫化钼设计出了抗辐射射频通信系统，即“青鸟”系统，并实现了4英寸晶圆级流片，能够应用于星载通信。2024年9月24日，搭载着“青鸟”系统的“复旦一号”卫星在中国山东发射升空，进入距地球约517公里的低地球轨道。
团队专门将复旦大学校歌的原始手稿照片存入“青鸟”系统的存储器中，并完成了以“复旦大学校歌”为信号的太空星内通信传输，最后经卫星天线发射并返回地面站解码后，“复旦大学校歌”信号复原准确无误。
在轨运行9个月后，“青鸟”系统传输数据的误码率仍低于10-8，展现了其优异的抗辐射性和稳定性。而即使在辐射环境更为恶劣的地球同步轨道（GEO）上，系统的理论在轨寿命预计可达271年，较传统硅基系统提升100倍，功耗却降低至传统系统的五分之一以下。
超长寿命与超低功耗，使其成为深空探测、高轨卫星、星际通信等前沿太空任务的理想选择。
二维材料有望从实验室走向太空探索
这项成果是复旦团队历时四五年厚积薄发的结晶。
面对原子层半导体这一新兴领域缺乏成熟设计工具的困境，团队不仅要攻克材料和工艺的难题，甚至还要自主开发半导体设计工具。
“从材料生长、晶体管制造，到芯片设计、系统集成，再到最后的太空验证，我们是国内唯一实现全栈技术自研的团队。”论文通讯作者、复旦大学集成电路与微纳电子创新学院副教授马顺利说。
“好的科研，不应该是别人做3.1、你做3.2的重复劳动，而应该是开辟一个能吸引全球布局的新航路。”周鹏谈到，团队从粒子辐射损伤的物理机制出发，揭示了原子层级材料的辐射免疫机制，不仅填补了二维电子器件空间在轨验证的空白，更有望开辟“原子层半导体太空电子学”这一创新领域。这一突破不仅标志着人类向构建高可靠、轻量化太空电子系统迈出关键一步，更有望成为二维材料从实验室走向航天高价值应用的催化剂，加速二维材料走向工程现实。
面向未来，团队正探索将该技术引入核聚变探测领域。原子层半导体的抗辐射特性让它有望成为进入核反应堆核心区的“电子眼”。
原标题：《这片二维半导体芯片竟然可以不惧宇宙辐射！复旦“青鸟”系统飞上太空》
栏目主编：樊丽萍、姜澎
来源：作者：文汇报 李相如
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