Nature｜把抗辐射材料从加厚做到变薄，复旦团队实现二维电子器件与系统国际首次在轨验证

太空是电子系统最严苛的试炼场。强辐射、高能粒子、极端温差，都可能导致通信芯片失效、任务中断。为了让电子设备“活得更久”，科研人员长期依赖厚重的屏蔽层或复杂的电路加固方案，虽然有效，却也带来了能耗高、体积大等限制。

1月29日，集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院周鹏-马顺利团队在《自然》发表研究成果，首次实现基于原子层半导体的射频通信系统在轨运行验证。他们研制的“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统，依托极薄的二维材料，展现出稳定运行与抗辐射性能，为构建更轻、更节能的空间通信系统提供了新的可能性。“超长寿命”与“超低功耗”两大核心优势，奠定二维电子系统在深空探测、高轨卫星、星际通信等前沿空间任务中的独特竞争力。

从“厚木板”到“薄蝉翼”，为何要在材料维度上“逆向而行”？

深空探索中的一个根本矛盾在于：电子系统越复杂，对通信能力的要求越高；但宇宙辐射环境的极端性，又时刻威胁着系统稳定性。传统解决路径，如增加屏蔽层或使用冗余加固电路，虽然提升了系统抗辐射能力，却也导致体积、重量、功耗同步增加，与未来航天任务对轻量化、低成本的需求背道而驰。

“我们想得更彻底一些，能不能从材料本身出发，寻找一种天然就不怕辐射的方案？”研究团队负责人回忆起最初的动机。他们回到物理机制源头，重新推导辐射粒子在半导体中的作用路径，最终发现：粒子引发的辐射损伤与材料厚度密切相关，越薄的材料，损伤累积越少。

“传统材料像一块木板，粒子击中后会留下许多‘伤痕’；而原子层半导体则像蝉翼，粒子能直接穿过，不容易造成破坏。”团队成员用这个形象的比喻解释“空间辐射免疫”的原理。这一发现让二维材料成为可能的答案。

然而，从理论走向工程的过程并不轻松。二维材料的设计与制造尚处早期阶段，缺乏成熟工具链和验证经验。从材料生长、晶体管制备、电路功能构建，到收发芯片联调，再到卫星载荷装配与环境适应性测试，每一步都需自研与验证。整个攻关周期长达4至5年，期间历经多次失败。

“我们现在是国内唯一完成这一设计体系的团队，甚至还开发出一套面向二维器件的自主设计工具。”在他看来，这条从实验室到星空的路径，不是捷径，而是一条扎实而漫长的上坡路。

271年的理论寿命与1/5的极致功耗，“青鸟”系统验证成功

2024年9月24日，“复旦一号（澜湄未来星）”卫星成功发射。依托“复旦一号（澜湄未来星）”卫星平台，在国际上首次实现“青鸟”系统的在轨验证，直接揭示了该系统在真实宇宙辐射环境下的长期工作稳定性与可靠性。

与许多“高冷”的技术任务不同，“青鸟”携带了一段特殊的“行李”，复旦大学校歌的手稿照片。这份承载百廿校园记忆的文稿被存入系统存储器中，在完成星内通信传输后，由卫星天线发回地面，再由地面站完成接收与解码。

但要实现这一听上去富有情感色彩的操作，背后是高难度的通信链路建立与多重风险控制。“我们最担心的是与卫星之间的第一段通信能否成功，如果失联，所有数据就无法回传。”团队负责人回忆。

幸运的是，数日后，地面站收到了一段令人激动的信号。复旦大学校歌信号完整、无误地从太空传回。“那一刻，我们激动得说不出话来，就像1970年人们第一次听到‘东方红一号’传回的《东方红》那样。”团队负责人说，“这不仅是技术上的成就感，更是一种精神传承。”

“青鸟”系统的在轨表现也经受住了时间考验。在轨9个月后，其数据传输误码率仍低于10⁻⁸，展现出优异的稳定性。研究团队还对该系统在地球同步轨道（geo）环境下的理论寿命进行了推算，结果显示其可在高辐射背景下运行超过271年——这一数据基于geo年均辐射剂量与地面加速实验相结合得出。

此外，系统整体功耗仅为传统硅基系统的五分之一。“这两点结合起来，一方面能降低卫星服役过程中的能源消耗，另一方面也大幅减少了因设备失效而频繁发射补网卫星的必要性。”团队指出。在资源紧张的太空环境中，每一克重量、每一瓦能量都事关成败，“青鸟”系统以几近极限的技术指标，为航天通信提供了一种新的可能。

从卫星通信到太空算力，

“青鸟”之后还会飞往何方？

“青鸟”项目不仅是一次成功的科学实验，更标志着二维材料从基础研究走向航天工程应用的关键一步。它验证的不只是通信能力，更是整套系统工程的可行性：从晶圆级制备、芯片封装，到卫星搭载、链路调试，再到稳定数据收发，全链条已基本具备产业化潜力。

“我们目前的4英寸晶圆制备工艺，可以在现有硅基半导体生产线兼容投产。”团队表示，下一步除了将射频通信系统转化为产业化产品，还将推动器件设计平台、材料制备工艺等向更多企业开放。“我们已经建起了基础链条，接下来就是让它与应用场景结合。”

而这些场景，远不止于卫星通信。随着人工智能的算力需求快速攀升，研究团队正在探索将原子层半导体应用于太空计算系统，特别是图像处理、数据压缩等低功耗边缘计算任务。让“算力上天”成为可能。

在他们看来，上海发展这一技术路径具备天然优势：既有高校强劲的材料、器件、集成系统研究基础，也有相对成熟的本地产业生态与卫星平台支撑能力。“从材料、工艺到设计和系统，我们已经积累了完整闭环的能力。”团队负责人说。

从“青鸟”翱翔太空，到下一代星座组网与太空算力部署，二维电子系统的想象力正被拉伸。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-10027-9

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作者：许织

上观号作者：上海科技