复旦大学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-马顺利团队成功研制“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统(简称：青鸟系统)，在国际上首次实现在轨验证。
这一突破开辟了“原子层半导体太空电子学”的创新领域，助力中国空间电子器件跨越式发展，为人类探索浩瀚宇宙征途迈出重要一步。北京时间1月29日，相关成果以《面向星载通信的原子层级抗辐射射频系统》为题发表于《自然》(Nature)主刊。
太空“抗辐射”难题亟需破解
近年来，人类太空探索不断刷新边界——从“天问一号”探测器的火星探索，到新一代全球通信网络卫星星座的编织，高性能通信系统始终是太空任务的“关键纽带”。然而，浩瀚宇宙的探索之路并非坦途，高能粒子、宇宙射线等空间辐射无处不在，极易引发电子器件性能退化甚至灾难性故障，严重威胁航天器在轨寿命。更棘手的是，一旦电子系统在太空中失效，几乎无法维修，高昂的替换成本往往令任务难以为继。当前主流的抗辐射方案——如增加屏蔽层或采用冗余加固电路——虽能提升可靠性，却也带来了体积增大、重量上升、功耗攀升等代价，与未来航天系统“轻量化、智能化、低成本”的发展趋势背道而驰。
在此背景下，发展兼具小尺寸、超低功耗与本征抗辐射能力的新一代半导体器件与系统，已成为突破空间电子技术瓶颈的关键突破口。
复旦大学周鹏-马顺利团队基于对粒子辐射效应的理论推导，发现原子层级薄的材料在理论上会积累最小的辐射诱导损伤，进而达成空间辐射免疫。由此，原子层级二维材料具备天然的抗辐射优势，使其有望成为构建下一代空间电子系统的理想候选。然而，迄今为止，关于二维材料和器件的辐射效应的研究主要局限于仿真计算和地面实验，无法完全模拟真实太空中的复杂辐射场。尚无任何二维电子系统在轨运行的实证数据，这严重制约了其从实验室走向航天应用的进程。
在国际上首次实现基于二维电子器件与系统的在轨验证
团队依托2024年9月24日发射的“复旦一号（澜湄未来星）”卫星平台，在国际上首次实现基于原子层半导体的抗辐射射频通信系统（“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。同时，“青鸟”系统向1970年4月24日发射的东方红1号致敬，完成了以“复旦大学校歌”为信号的太空通信传输。同时，研究团队从粒子辐射损伤的物理机制出发，揭示了原子层级材料的辐射免疫机制，不仅填补了二维电子器件空间在轨验证的空白，更开辟了“原子层半导体太空电子学”的创新领域。
据介绍，研究团队基于成熟的晶圆级二维工艺，设计并制备了4英寸基于单层二硫化钼（MoS2）的抗辐射集成射频（12~18 GHz）发射机-接收机系统，能够应用于星载通信。在轨实验中，该“青鸟”二维射频通信系统搭载“复旦一号（澜湄未来星）”卫星成功发射到距地球约517公里的低地球轨道（LEO）。此外，“青鸟”系统在轨运行9个月后，传输数据的误码率仍低于10-8，展现了其优异的抗辐射性和长期稳定性。
周鹏教授表示，基于原子层半导体的卫星通信系统成功完成在轨验证，为原子层半导体太空电子学开辟了一个具有独特应用潜力的方向。这一突破不仅标志着人类向构建高可靠、轻量化太空电子系统迈出关键一步，更有望成为二维材料从实验室走向航天高价值应用的“催化剂”。展望未来，基于原子层半导体的抗辐射电子技术或将引领二维电子学实现产业化跃迁，在支撑下一代卫星互联网、深空探测乃至地外基地建设的同时，持续吸引全球学术界与产业界的深度布局，加速二维材料走向“工程现实”，有望为我国空间电子器件带来跨越式发展。
复旦大学集成电路与微纳电子创新学院、集成芯片与系统全国重点实验室马顺利副教授和周鹏教授为论文通讯作者，博士后朱立远为论文第一作者。
头图为4英寸原子层半导体抗辐射射频通信芯片。校方供图
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