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(lǐng)域?yàn)橹徽?。中國科學(xué)家將一套比蟬翼還薄千萬倍的通信系統(tǒng)送上了500公里高的太空，在軌運(yùn)行了9個(gè)月后，它傳回了清晰無誤的復(fù)旦大學(xué)校歌。

這個(gè)名為“青鳥”的系統(tǒng)，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(gè)近乎科幻的現(xiàn)實(shí)：在足以摧毀傳統(tǒng)芯片的宇宙輻射中，這套原子層厚度的電子器件幾乎毫發(fā)無傷。

這不僅是材料科學(xué)的勝利，更預(yù)示著人類航天器設(shè)計(jì)邏輯的一次根本性轉(zhuǎn)折。

離開地球磁層的保護(hù)傘，航天器就暴露在永不停息的“粒子風(fēng)暴”中。高能的宇宙射線、太陽風(fēng)粒子，像無數(shù)顆微小的子彈，不斷轟擊著電子設(shè)備。

對(duì)于傳統(tǒng)硅基芯片來說，這種轟擊是致命的。高能粒子打入硅材料，會(huì)造成電離損傷或位移損傷，導(dǎo)致晶體管性能漂移、漏電增加，最終失效。

過去應(yīng)對(duì)這個(gè)問題，只能做“加法”：給關(guān)鍵部件穿上厚重的金屬“防輻射服”，或者設(shè)計(jì)大量的冗余備份電路。這就像給一本脆弱的紙質(zhì)書加上鐵質(zhì)封面，雖然能保護(hù)內(nèi)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(fā)射成本，以及擠占科學(xué)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(hù)？

復(fù)旦大學(xué)周鵬、馬順利團(tuán)隊(duì)的突破，恰恰在于做了一次極致的“減法”。他們將半導(dǎo)體材料的厚度，縮減到了物理極限——單層原子。

研究團(tuán)隊(duì)給出的解釋非常直觀 。傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體就像一塊厚木板，輻射粒子撞上來，能量沉積在內(nèi)部，會(huì)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(huì)直接“穿體而過”，幾乎不留下任何損傷積累。

理論計(jì)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(zhì)子撞擊時(shí)，其內(nèi)部沉積的“輻射損傷能量”驚人地降低了223倍 。

團(tuán)隊(duì)不僅做了理論推算，更進(jìn)行了嚴(yán)苛的地面驗(yàn)證。在高達(dá)10 Mrad劑量的伽馬射線照射下，傳統(tǒng)硅基開關(guān)的性能早已崩潰，而單層二硫化鉬晶體管的開關(guān)比依然維持在10?的超高水平，閾值電壓偏移極小 。

實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)再漂亮，也比不上真實(shí)太空的考驗(yàn)。2024年9月24日，團(tuán)隊(duì)自主研制的“青鳥”原子層半導(dǎo)體抗輻射射頻通信系統(tǒng)，搭載“復(fù)旦一號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)入了約517公里高的低地球軌道 。

這套系統(tǒng)包含了完整的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，重量僅為傳統(tǒng)硬件的十分之一 。在軌運(yùn)行9個(gè)月后，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回了一個(gè)讓團(tuán)隊(duì)振奮的消息：系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率始終低于10?? 。這意味著一億次傳輸中，錯(cuò)誤不到一次。

基于真實(shí)的在軌數(shù)據(jù)和輻射環(huán)境模型，研究人員給出了一個(gè)驚人的預(yù)測：這套基于單層二硫化鉬的通信系統(tǒng)，如果在輻射更猛烈的地球同步軌道運(yùn)行，理論壽命可達(dá)271年 。相比之下，不加額外防護(hù)的硅基系統(tǒng)，在那里可能撐不過3年。即便與目前最先進(jìn)的絕緣體上硅技術(shù)相比，壽命也提升了約100倍 。

這項(xiàng)成果的意義，在于它為中國在下一代航天電子技術(shù)領(lǐng)域開辟了一條全新的賽道。

以往我們談?wù)撔酒?，總是在追趕幾納米的制程工藝。但在太空這個(gè)特殊場景下，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(tǒng)硅基器件在抗輻射領(lǐng)域的物理瓶頸。

更重要的是，這套技術(shù)并非遙不可及的實(shí)驗(yàn)室樣品。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人周鵬教授指出，該技術(shù)可與現(xiàn)有硅基半導(dǎo)體生產(chǎn)線無縫對(duì)接 。這意味著它具備了從實(shí)驗(yàn)室走向工程應(yīng)用，乃至大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。

放眼未來，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用場景遠(yuǎn)不止于通信。周鵬團(tuán)隊(duì)展望，基于原子層半導(dǎo)體的抗輻射特性，未來可以搭建星載存算一體平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“太空算力” 。屆時(shí)，衛(wèi)星可以不再僅僅是將數(shù)據(jù)傳回地面的“中繼站”，而是在軌就能完成海量數(shù)據(jù)處理的“智能節(jié)點(diǎn)”。

此外，從核聚變裝置的遠(yuǎn)程操控機(jī)器人，到核電站內(nèi)部的巡檢設(shè)備，任何存在強(qiáng)輻射的地面應(yīng)用場景，都可能因這項(xiàng)技術(shù)的成熟而迎來革新 。

“青鳥”系統(tǒng)的成功在軌驗(yàn)證，是一個(gè)清晰的信號(hào)：當(dāng)我們的電子器件薄到只有一個(gè)原子層時(shí)，曾經(jīng)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(jiān)不可摧”的中國方案。