在人造衛(wèi)星領(lǐng)域，通信系統(tǒng)的重要性不言而喻，然而其平均壽命卻僅有數(shù)年。這背后的“元兇”正是太空環(huán)境中無處不在的宇宙射線，它們?nèi)缤皹屃謴椨辍?，?huì)對(duì)通信系統(tǒng)所使用的半導(dǎo)體電子器件性能造成嚴(yán)重?fù)p傷。

為攻克這一難題，復(fù)旦大學(xué)的周鵬、馬順利團(tuán)隊(duì)經(jīng)過不懈努力，成功研發(fā)出“青鳥”原子層半導(dǎo)體抗輻射射頻通信系統(tǒng)（以下簡稱“青鳥”系統(tǒng)）。這一創(chuàng)新成果意義重大，它不僅將衛(wèi)星通信系統(tǒng)的理論在軌壽命大幅延長至271年，還把能耗降低到傳統(tǒng)方案的五分之一，重量更是縮減至原來的十分之一左右。更為可觀的是，它有望使人造衛(wèi)星的使用年限從3年左右提升至20 - 30年。

近期，“青鳥”系統(tǒng)搭載“復(fù)旦一號(hào)”衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)入太空，在國際上首次完成了二維電子器件與系統(tǒng)的“超長壽命”“超低功耗”實(shí)地在軌驗(yàn)證。北京時(shí)間1月29日凌晨，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表了這一重要成果。

傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件在太空中的應(yīng)用面臨諸多困境。周鵬教授介紹，為使傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件能在太空正常工作，通常有兩種方案。一種方案是增加半導(dǎo)體部件數(shù)量，比如將原本的一個(gè)部件增加到十個(gè)，即便有一個(gè)損壞，其余九個(gè)仍可繼續(xù)工作；另一種方案則是給半導(dǎo)體加上金屬材質(zhì)的保護(hù)殼，盡可能阻擋宇宙射線粒子。然而，這兩種方案都未能從根本上提升器件本身的抗輻射性能，只是“治標(biāo)不治本”，而且還會(huì)顯著增加重量和體積，給航天衛(wèi)星極為有限的載荷空間帶來沉重負(fù)擔(dān)。

“青鳥”系統(tǒng)采用的原子層半導(dǎo)體則巧妙地化解了這一難題。所謂原子層半導(dǎo)體，是將半導(dǎo)體原子在二維平面上進(jìn)行有序排布，形成僅有一個(gè)或幾個(gè)原子厚度的單層膜。當(dāng)宇宙射線粒子射向這層膜時(shí)，就如同光穿過一層超薄玻璃，幾乎不會(huì)對(duì)膜本身造成影響。這層厚度僅0.68納米的膜不僅重量極輕，無需增加備份部件或厚重的防護(hù)殼，還具備高度節(jié)能的特性，能夠?yàn)橐蕾囂柲芑蛴邢扌禽d電池的太空任務(wù)提供更多能源保障。

馬順利副教授表示，“青鳥”系統(tǒng)通過“復(fù)旦一號(hào)”在距地球約517公里的低地軌道上接受了現(xiàn)實(shí)考驗(yàn)。在軌運(yùn)行9個(gè)月后，其傳輸數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率仍低于一億分之一，充分證明了該系統(tǒng)在真實(shí)宇宙輻射環(huán)境下長期工作的穩(wěn)定性與可靠性。