這片二維半導體芯片竟然可以不懼宇宙輻射！復旦“青鳥”系統飛上太空

半導體是現代絕大多數電子器件的核心基礎材料‌，而當半導體的厚度達到原子層，竟可以直接“無視”來自外太空的輻射！

由復旦大學周鵬、馬順利團隊研製的“青鳥”原子層半導體抗輻射射頻通信系統，依託“復旦一號”衛星平臺，在國際上首次實現二維半導體（即原子層半導體）抗輻射射頻通信系統的在軌驗證。簡單說，過去需要數公斤保護層的太空通信系統，今後在一枚“裸奔”的原子層半導體芯片上就能實現，同時使用壽命還大大延長，這無疑爲人類的太空探索增添了新利器。

今天（1月29日）凌晨，相關成果以《面向星載通信的原子層級抗輻射射頻系統》爲題發表在國際頂刊《自然》上。

4英寸原子層半導體抗輻射射頻通信芯片。

壽命提升100倍，功耗降至五分之一以下

人類探索太空世界的最大“敵人”，就是那些長期積累、會讓電子器件報廢的宇宙輻射。

在浩瀚宇宙中，高能粒子、宇宙射線無處不在，它們會導致航天器電子器件性能退化，最終無法使用。一旦電子系統在太空中失效，幾乎無法維修。

“對星載電子通信系統而言，太空有免費的太陽能，也不需要地面那樣龐大的製冷系統，但抗輻射是繞不開的。”論文通訊作者、復旦大學集成電路與微納電子創新學院教授周鵬告訴記者，目前主流的抗輻射方案，如增加屏蔽層或採用冗餘加固電路，雖能提升可靠性，卻也帶來了體積增大、重量上升、功率攀升等代價。而在航天領域，一公斤載荷的發射成本往往高達數萬元。

傳統技術範式下，這個問題幾乎無解。復旦團隊則提出了一種反向思考：既然“穿盔甲”不靈了，何不利用物質本身的特性？基於粒子輻射效應的理論推導，團隊發現，當材料薄至單原子層級時，高能粒子會像穿過透明玻璃一樣直接穿透，幾乎不產生累積損傷。爲了說明這一原理，周鵬還援引了一句古詩——“他強由他強，清風拂山崗。”

團隊基於單層原子厚度的二硫化鉬設計出了抗輻射射頻通信系統，即“青鳥”系統，並實現了4英寸晶圓級流片，能夠應用於星載通信。2024年9月24日，搭載着“青鳥”系統的“復旦一號”衛星在中國山東發射升空，進入距地球約517公里的低地球軌道。

團隊專門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，並完成了以“復旦大學校歌”爲信號的太空星內通信傳輸，最後經衛星天線發射並返回地面站解碼後，“復旦大學校歌”信號復原準確無誤。

在軌運行9個月後，“青鳥”系統傳輸數據的誤碼率仍低於10-8，展現了其優異的抗輻射性和穩定性。而即使在輻射環境更爲惡劣的地球同步軌道（GEO）上，系統的理論在軌壽命預計可達271年，較傳統硅基系統提升100倍，功耗卻降低至傳統系統的五分之一以下。

超長壽命與超低功耗，使其成爲深空探測、高軌衛星、星際通信等前沿太空任務的理想選擇。

二維材料有望從實驗室走向太空探索

這項成果是復旦團隊歷時四五年厚積薄發的結晶。

面對原子層半導體這一新興領域缺乏成熟設計工具的困境，團隊不僅要攻克材料和工藝的難題，甚至還要自主開發半導體設計工具。

“從材料生長、晶體管制造，到芯片設計、系統集成，再到最後的太空驗證，我們是國內唯一實現全棧技術自研的團隊。”論文通訊作者、復旦大學集成電路與微納電子創新學院副教授馬順利說。

“好的科研，不應該是別人做3.1、你做3.2的重複勞動，而應該是開闢一個能吸引全球佈局的新航路。”周鵬談到，團隊從粒子輻射損傷的物理機制出發，揭示了原子層級材料的輻射免疫機制，不僅填補了二維電子器件空間在軌驗證的空白，更有望開闢“原子層半導體太空電子學”這一創新領域。這一突破不僅標誌着人類向構建高可靠、輕量化太空電子系統邁出關鍵一步，更有望成爲二維材料從實驗室走向航天高價值應用的催化劑，加速二維材料走向工程現實。

面向未來，團隊正探索將該技術引入核聚變探測領域。原子層半導體的抗輻射特性讓它有望成爲進入核反應堆核心區的“電子眼”。