【儀表網 研發快訊】復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室集成電路與微納電子創新學院周鵬、馬順利研究團隊研制“青鳥”原子層半導體抗輻射射頻通信系統，依托“復旦一號”(瀾湄未來星)衛星平臺，在國際上首次實現基于二維電子器件與系統的在軌驗證，開辟了原子層半導體太空電子學領域標志著人類向構建高可靠、輕量化太空電子系統邁出關鍵一步。相關成果于北京時間1月29日凌晨發表于《自然》（Nature）。
人類正不斷刷新太空探索的邊界，從火星探索到新一代全球通信網絡衛星星座的編織，高性能通信系統始終是太空任務的“關鍵紐帶”。然而，在太空中，高能粒子等空間輻射無處不在，極易引發硅基電子器件性能退化，甚至導致災難性故障，這嚴重威脅著航天器的在軌壽命。
如何才能增強電子器件的抗輻射能力，讓通信系統壽命更長？當前主流的抗輻射方案，是增加屏蔽層或采用冗余加固電路，這雖能提升可靠性，卻也付出了體積增大、重量上升、功耗攀升等代價，與未來航天系統“輕量化、智能化、低成本”的發展目標背道而馳。
面對這一挑戰，周鵬-馬順利團隊創新電子通信系統，提出全新的技術路徑。“加強化學鍵強度、增加冗余等傳統抗輻射方案，都是在進行硬性對抗。而我們秉持‘它強由它強，明月照大江’的理念，讓輻射粒子‘穿堂而過’、不做停留，好比現實世界里的玻璃對于可見光，二者和諧共處，不帶來傷害。”周鵬解釋道。
現在通信系統所使用的芯片多由硅材料制作，硅片厚度往往在幾百微米，一些薄層硅至少也有幾十納米；而二維半導體材料是原子級別，厚度不到1納米。團隊發現，原子層級薄的二維半導體材料會積累最小的輻射誘導損傷，進而實現空間輻射免疫。即便高能粒子偶爾造成個別原子鍵的破壞，產生微小缺陷，但對于本身缺陷密度就相對較高的新型半導體材料而言，這種額外損傷對其整體電學性能影響微乎其微。
團隊專門對原子層半導體材料及器件進行了地面模擬輻照實驗，采用的輻射劑量達到10兆拉德，這也是國內目前能達到的最高劑量水平之一。結果顯示，器件性能依然保持穩定。但地面實驗的成功只是第一步。長期以來，二維電子系統的空間應用缺乏在軌數據支撐，制約了其從實驗室走向工程實際。
歷經五年多探索，團隊在材料、器件、搭載衛星等多點協同攻關，2022年獲得將芯片搭載“復旦一號（瀾湄未來星）”衛星平臺的機會，隨后展開制備通信系統、將芯片與衛星平臺對接的復雜系統工程。基于原子層級半導體材料，團隊制備了4英寸基于單層二硫化鉬(MoS2)的抗輻射集成射頻(12~18 GHz)通信系統，該系統被命名為“青鳥”，能夠應用于星載通信。
研制“青鳥”(QingNiao)原子層半導體抗輻射射頻通信系統
2024年9月24日，“青鳥”通信系統搭載衛星成功發射到距地球約517公里的低地球軌道(LEO)。團隊將“復旦大學校歌”的原始手稿照片存入“青鳥”系統的存儲器中，并完成了以“復旦大學校歌”為信號的太空星內通信傳輸，最后經衛星天線發射并返回地面站解碼后，“復旦大學校歌”信號復原準確無誤。
開辟了“原子層半導體太空電子學”的創新領域
系統在軌運行9個月后，其傳輸數據的誤碼率仍低于10-8，展現出優異的抗輻射性和長期穩定性。即使在輻射環境更為惡劣的地球同步軌道(GEO)上，該二維星載通信系統的理論在軌壽命預計可達271年，較傳統硅基系統提升兩個數量級。與此同時，系統發射機-接收機鏈路的功耗不足傳統硅基射頻系統的五分之一，確保了在嚴苛功率預算下仍能維持高性能通信。“超長壽命”與“超低功耗”的雙重優勢，為二維電子系統在深空探測、高軌衛星等空間任務中帶來了獨特競爭力。
“在航天領域，可靠性和功耗往往比極致的小型化更重要。”周鵬指出，該系統在長壽命與低功耗方面的天然優勢，使其在規模化應用后，全生命周期成本將顯著低于傳統抗輻射方案，“是一個價值可達數十億甚至百億美元級別的潛在市場”。
當前，我國航天強國建設與商業航天發展進入快車道，突破空間電子技術瓶頸已成為國家戰略科技力量的重要組成部分。新一代抗輻射電子系統，不僅有望支撐下一代衛星互聯網、深空探測等重大工程，也將為我國在新一代空間信息基礎設施中贏得先機。
復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室、集成電路與微納電子創新學院馬順利副教授和周鵬教授為論文通訊作者，博士后朱立遠為論文第一作者。復旦大學現代物理研究所楊洋副教授團隊在載荷設計方面提供了重要技術支持，并高效協調落實了地面輻照實驗所需的測試條件。研究工作依托復旦大學“復旦一號(瀾湄未來星)”衛星平臺開展，得到了科技部、教育部、國家自然科學基金委、上海市科委、科學探索獎等項目的資助，以及教育部創新平臺的支持。
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