新型抗辐射电子电路可在恶劣太空中持续工作超过270年

这种基于四英寸晶圆、仅一个原子厚的电子系统，成功通过了强伽马射线测试，并在轨运行了九个月。

太空对电子设备并不友好。在地球保护性磁场之外，卫星会遭受宇宙射线和高能粒子的轰击，这些粒子会逐渐侵蚀精密的电路。

随着时间的推移，这些肉眼不可见的撞击可能会使数据损坏、元件受损，并缩短航天器的寿命。为了克服这一挑战，工程师们通常会增加厚重的屏蔽层，但这额外的重量会增加发射成本，并限制任务的有效载荷。

现在，复旦大学的一个研究团队为这个问题提出了一种有趣的解决方案。他们用一种非常薄且坚固的材料来制造电子设备，这种材料本身几乎不会受到辐射的伤害。在测试中，他们这种原子级厚度的通信系统不仅能在轨运行数月，而且据预测，在更严酷的太空环境中能持续运行数百年。

用单原子层制造电子设备

研究人员使用了二硫化钼，这是一种可以制成仅一个原子层厚（约0.7纳米）的化合物。在这种尺度下，可供入射辐射造成损害的材料极少。理论上，高能粒子穿过如此薄的薄片时，不会产生那种通常会毁坏传统硅芯片的缺陷。

为了将这一想法付诸实践，研究团队首先在一片4英寸的晶圆上生长出一大片均匀的单层二硫化钼薄膜。然后，他们用这片晶圆制造了晶体管——电子电路的基本构件。这些晶体管随后被组装成一个功能完整的射频通信系统，工作频率在12到18吉赫兹之间。更重要的是，该系统同时包含了发射器和接收器，这意味着它可以像真实卫星中使用的那样发送和接收信号。

研究作者指出："基于4英寸晶圆级的单层二维二硫化钼工艺，我们实现了一个基于原子层晶体管的抗辐射射频系统，该系统同时包含发射器和接收器，可用于星载通信。"

在真实条件下测试系统

在将任何设备送入太空之前，研究人员在地球上对电路进行了压力测试。他们用强伽马射线轰击这些设备，以模拟电子设备在轨道上经历的环境。然后，他们使用先进的成像工具仔细检查了材料。透射电子显微镜使他们能够观察原子结构。能量色散X射线光谱学检查了化学成分是否发生变化。拉曼光谱扫描了薄膜上的多个点以检测结构损伤。

结果令人惊讶。原子薄层中没有发现明显的结构或化学退化迹象。在电性能方面，这些设备的表现几乎与辐照前完全一样。它们保持了超高的开关比，显示出极小的电流泄漏，并且功耗很低——这对能量受限的航天器来说是一个重要特性。

最终的考验来自太空。该团队将基于二硫化钼的通信系统发射到约517公里高度的近地轨道。在九个月的时间里，该设备在太空的恶劣辐射环境中运行。

研究作者表示："值得注意的是，在轨运行9个月后，该系统在传输数据中保持了低于10⁻⁸的误码率，表明其具有显著的辐射耐受性和长期稳定性。"作为演示，该系统成功传输并接收了完整的复旦大学校歌，清晰度完美。

此外，根据在轨收集的辐射数据和太空环境模型，研究人员估计，他们的系统在地球同步轨道（其辐射水平远高于近地轨道）中能够承受惊人的271年之久。

原子薄电子设备的未来

如果这些结果在未来任务中得到验证，原子薄电子设备可能会彻底改变航天器设计。卫星可以不再依赖笨重的屏蔽层，而使用本质上就抗辐射的电路。这将减轻重量，降低发射成本，并为科学仪器或通信有效载荷腾出空间。寿命更长的电子设备还可以延长卫星、深空探测器和高等轨道通信平台的工作寿命。

然而，仍然存在挑战。例如，当前的系统展示了射频通信能力，但完整的航天器电子设备涉及许多其他组件，包括处理器、存储系统和电源管理单元。扩大生产规模、将二硫化钼与现有技术集成，以及在更长时间的任务中证明其可靠性，将是下一个重要步骤。

该研究发表在《自然》杂志上。

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