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探索宇宙奧秘 · 理性思考
2026年2月20日,一則來自《自然》雜志的消息讓航天電子領域為之一振。中國科學家將一套比蟬翼還薄千萬倍的通信系統送上了500公里高的太空,在軌運行了9個月后,它傳回了清晰無誤的復旦大學校歌。
這個名為“青鳥”的系統,核心材料是厚度僅0.7納米的單層二硫化鉬。它展示了一個近乎科幻的現實:在足以摧毀傳統芯片的宇宙輻射中,這套原子層厚度的電子器件幾乎毫發無傷。
這不僅是材料科學的勝利,更預示著人類航天器設計邏輯的一次根本性轉折。
離開地球磁層的保護傘,航天器就暴露在永不停息的“粒子風暴”中。高能的宇宙射線、太陽風粒子,像無數顆微小的子彈,不斷轟擊著電子設備。
對于傳統硅基芯片來說,這種轟擊是致命的。高能粒子打入硅材料,會造成電離損傷或位移損傷,導致晶體管性能漂移、漏電增加,最終失效。
過去應對這個問題,只能做“加法”:給關鍵部件穿上厚重的金屬“防輻射服”,或者設計大量的冗余備份電路。這就像給一本脆弱的紙質書加上鐵質封面,雖然能保護內頁,但也讓整本書變得極其笨重。
每增加一克重量,都意味著高昂的發射成本,以及擠占科學儀器或燃料的空間。有沒有一種材料,天生就不怕輻射,無需這些笨重的保護?
復旦大學周鵬、馬順利團隊的突破,恰恰在于做了一次極致的“減法”。他們將半導體材料的厚度,縮減到了物理極限——單層原子。
研究團隊給出的解釋非常直觀 。傳統硅半導體就像一塊厚木板,輻射粒子撞上來,能量沉積在內部,會造成一堆“傷痕”。而單層二硫化鉬薄如蟬翼,厚度只有0.7納米,輻射粒子絕大部分會直接“穿體而過”,幾乎不留下任何損傷積累。
理論計算支撐了這一洞見。相比于30納米厚的硅薄膜,0.7納米厚的二硫化鉬受到高能質子撞擊時,其內部沉積的“輻射損傷能量”驚人地降低了223倍 。
團隊不僅做了理論推算,更進行了嚴苛的地面驗證。在高達10 Mrad劑量的伽馬射線照射下,傳統硅基開關的性能早已崩潰,而單層二硫化鉬晶體管的開關比依然維持在10?的超高水平,閾值電壓偏移極小 。
實驗室的數據再漂亮,也比不上真實太空的考驗。2024年9月24日,團隊自主研制的“青鳥”原子層半導體抗輻射射頻通信系統,搭載“復旦一號”衛星進入了約517公里高的低地球軌道 。
這套系統包含了完整的發射機和接收機,重量僅為傳統硬件的十分之一 。在軌運行9個月后,監測數據傳回了一個讓團隊振奮的消息:系統傳輸數據的誤碼率始終低于10?? 。這意味著一億次傳輸中,錯誤不到一次。
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基于真實的在軌數據和輻射環境模型,研究人員給出了一個驚人的預測:這套基于單層二硫化鉬的通信系統,如果在輻射更猛烈的地球同步軌道運行,理論壽命可達271年 。相比之下,不加額外防護的硅基系統,在那里可能撐不過3年。即便與目前最先進的絕緣體上硅技術相比,壽命也提升了約100倍 。
這項成果的意義,在于它為中國在下一代航天電子技術領域開辟了一條全新的賽道。
以往我們談論芯片,總是在追趕幾納米的制程工藝。但在太空這個特殊場景下,復旦大學團隊展示了一種“換道超車”的可能。他們利用原子層厚度材料的本征物理特性,繞過了傳統硅基器件在抗輻射領域的物理瓶頸。
更重要的是,這套技術并非遙不可及的實驗室樣品。團隊負責人周鵬教授指出,該技術可與現有硅基半導體生產線無縫對接 。這意味著它具備了從實驗室走向工程應用,乃至大規模產業化的基礎。
放眼未來,這項技術的應用場景遠不止于通信。周鵬團隊展望,基于原子層半導體的抗輻射特性,未來可以搭建星載存算一體平臺,實現真正意義上的“太空算力” 。屆時,衛星可以不再僅僅是將數據傳回地面的“中繼站”,而是在軌就能完成海量數據處理的“智能節點”。
此外,從核聚變裝置的遠程操控機器人,到核電站內部的巡檢設備,任何存在強輻射的地面應用場景,都可能因這項技術的成熟而迎來革新 。
“青鳥”系統的成功在軌驗證,是一個清晰的信號:當我們的電子器件薄到只有一個原子層時,曾經最棘手的空間輻射問題,可能將不再是問題。未來,人類探索深空的征途上,或許將隨處可見這種“薄如蟬翼”卻“堅不可摧”的中國方案。
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