新型抗輻射電子電路可在惡劣太空中持續(xù)工作超過(guò)270年

這種基于四英寸晶圓、僅一個(gè)原子厚的電子系統(tǒng)，成功通過(guò)了強(qiáng)伽馬射線測(cè)試，并在軌運(yùn)行了九個(gè)月。

太空對(duì)電子設(shè)備并不友好。在地球保護(hù)性磁場(chǎng)之外，衛(wèi)星會(huì)遭受宇宙射線和高能粒子的轟擊，這些粒子會(huì)逐漸侵蝕精密的電路。

隨著時(shí)間的推移，這些肉眼不可見的撞擊可能會(huì)使數(shù)據(jù)損壞、元件受損，并縮短航天器的壽命。為了克服這一挑戰(zhàn)，工程師們通常會(huì)增加厚重的屏蔽層，但這額外的重量會(huì)增加發(fā)射成本，并限制任務(wù)的有效載荷。

現(xiàn)在，復(fù)旦大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)為這個(gè)問(wèn)題提出了一種有趣的解決方案。他們用一種非常薄且堅(jiān)固的材料來(lái)制造電子設(shè)備，這種材料本身幾乎不會(huì)受到輻射的傷害。在測(cè)試中，他們這種原子級(jí)厚度的通信系統(tǒng)不僅能在軌運(yùn)行數(shù)月，而且據(jù)預(yù)測(cè)，在更嚴(yán)酷的太空環(huán)境中能持續(xù)運(yùn)行數(shù)百年。

用單原子層制造電子設(shè)備

研究人員使用了二硫化鉬，這是一種可以制成僅一個(gè)原子層厚（約0.7納米）的化合物。在這種尺度下，可供入射輻射造成損害的材料極少。理論上，高能粒子穿過(guò)如此薄的薄片時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生那種通常會(huì)毀壞傳統(tǒng)硅芯片的缺陷。

為了將這一想法付諸實(shí)踐，研究團(tuán)隊(duì)首先在一片4英寸的晶圓上生長(zhǎng)出一大片均勻的單層二硫化鉬薄膜。然后，他們用這片晶圓制造了晶體管——電子電路的基本構(gòu)件。這些晶體管隨后被組裝成一個(gè)功能完整的射頻通信系統(tǒng)，工作頻率在12到18吉赫茲之間。更重要的是，該系統(tǒng)同時(shí)包含了發(fā)射器和接收器，這意味著它可以像真實(shí)衛(wèi)星中使用的那樣發(fā)送和接收信號(hào)。

研究作者指出："基于4英寸晶圓級(jí)的單層二維二硫化鉬工藝，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于原子層晶體管的抗輻射射頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)包含發(fā)射器和接收器，可用于星載通信。"

在真實(shí)條件下測(cè)試系統(tǒng)

在將任何設(shè)備送入太空之前，研究人員在地球上對(duì)電路進(jìn)行了壓力測(cè)試。他們用強(qiáng)伽馬射線轟擊這些設(shè)備，以模擬電子設(shè)備在軌道上經(jīng)歷的環(huán)境。然后，他們使用先進(jìn)的成像工具仔細(xì)檢查了材料。透射電子顯微鏡使他們能夠觀察原子結(jié)構(gòu)。能量色散X射線光譜學(xué)檢查了化學(xué)成分是否發(fā)生變化。拉曼光譜掃描了薄膜上的多個(gè)點(diǎn)以檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷。

結(jié)果令人驚訝。原子薄層中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)或化學(xué)退化跡象。在電性能方面，這些設(shè)備的表現(xiàn)幾乎與輻照前完全一樣。它們保持了超高的開關(guān)比，顯示出極小的電流泄漏，并且功耗很低——這對(duì)能量受限的航天器來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要特性。

最終的考驗(yàn)來(lái)自太空。該團(tuán)隊(duì)將基于二硫化鉬的通信系統(tǒng)發(fā)射到約517公里高度的近地軌道。在九個(gè)月的時(shí)間里，該設(shè)備在太空的惡劣輻射環(huán)境中運(yùn)行。

研究作者表示："值得注意的是，在軌運(yùn)行9個(gè)月后，該系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)中保持了低于10??的誤碼率，表明其具有顯著的輻射耐受性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。"作為演示，該系統(tǒng)成功傳輸并接收了完整的復(fù)旦大學(xué)校歌，清晰度完美。

此外，根據(jù)在軌收集的輻射數(shù)據(jù)和太空環(huán)境模型，研究人員估計(jì)，他們的系統(tǒng)在地球同步軌道（其輻射水平遠(yuǎn)高于近地軌道）中能夠承受驚人的271年之久。

原子薄電子設(shè)備的未來(lái)

如果這些結(jié)果在未來(lái)任務(wù)中得到驗(yàn)證，原子薄電子設(shè)備可能會(huì)徹底改變航天器設(shè)計(jì)。衛(wèi)星可以不再依賴笨重的屏蔽層，而使用本質(zhì)上就抗輻射的電路。這將減輕重量，降低發(fā)射成本，并為科學(xué)儀器或通信有效載荷騰出空間。壽命更長(zhǎng)的電子設(shè)備還可以延長(zhǎng)衛(wèi)星、深空探測(cè)器和高等軌道通信平臺(tái)的工作壽命。

然而，仍然存在挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)前的系統(tǒng)展示了射頻通信能力，但完整的航天器電子設(shè)備涉及許多其他組件，包括處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)和電源管理單元。擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、將二硫化鉬與現(xiàn)有技術(shù)集成，以及在更長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù)中證明其可靠性，將是下一個(gè)重要步驟。

該研究發(fā)表在《自然》雜志上。

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