【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著人類對太空探索的不斷深入，衛(wèi)星技術(shù)在通信、導(dǎo)航、氣象監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。然而，太空環(huán)境的極端條件，如輻射、微重力和高/低溫等，對衛(wèi)星核心電子器件的性能提出了嚴峻挑戰(zhàn)。其中，傳統(tǒng)的硅基晶體管由于短溝道效應(yīng)和表面粗糙導(dǎo)致的載流子散射問題，逐漸接近其理論極限。二維過渡金屬硫族化合物作為有望超越硅基技術(shù)極限的新一代半導(dǎo)體材料受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界高度重視，但其空間環(huán)境穩(wěn)定性長期缺乏實證研究。
 

　　近日，清華大學(xué)材料學(xué)院呂瑞濤課題組依托“實踐十九號”衛(wèi)星，在國際上率先開展了二維半導(dǎo)體材料與器件的空間在軌驗證實驗。“實踐十九號”衛(wèi)星是由中國航天科技集團有限公司第五研究院抓總研制的首顆可重復(fù)使用返回式技術(shù)試驗衛(wèi)星。衛(wèi)星搭載了呂瑞濤團隊研制的“基于二維半導(dǎo)體材料的電/光學(xué)器件”載荷，載荷順利完成了在軌飛行試驗。該研究為二維半導(dǎo)體材料的太空環(huán)境適應(yīng)性研究提供了新的研究思路和技術(shù)范式，對推動二維材料電子器件的發(fā)展具有重要意義。
 

　　研究團隊通過化學(xué)氣相沉積工藝成功制備出二維WSe2及鈮摻雜WSe2材料，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了場效應(yīng)晶體管(FET)器件。該批二維材料與器件搭載于“實踐十九號”返回式衛(wèi)星，暴露于太空輻射、微重力和高/低溫環(huán)境中。衛(wèi)星返回后，研究團隊同時對儲存在地球上和經(jīng)過太空飛行試驗的材料及器件進行了光學(xué)及電學(xué)性能測試。測試結(jié)果表明，基于WSe2和鈮摻雜WSe2的材料及FET器件在太空環(huán)境暴露后仍保持良好的半導(dǎo)體特性，開關(guān)電流比保持在106-107量級，顯示出優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)穩(wěn)定性。此外，研究團隊采用化學(xué)氣相沉積法制備了單層及雙層WSe2和MoSe2樣品，將同批次樣品分為空間艙內(nèi)存儲和地面存儲兩組進行對比實驗。衛(wèi)星返回后，通過拉曼光譜和光致發(fā)光譜表征發(fā)現(xiàn)，艙內(nèi)樣品的發(fā)光強度顯著高于地面樣品，而半峰寬基本保持不變，進一步證明了二維半導(dǎo)體材料在太空環(huán)境中的良好適應(yīng)性。
 

　　呂瑞濤課題組主要從事碳基低維材料缺陷設(shè)計及性能調(diào)控研究，側(cè)重于晶格缺陷的可控構(gòu)筑、原子級構(gòu)型解析以及在清潔能源存儲/轉(zhuǎn)換、超靈敏分子探測等領(lǐng)域的應(yīng)用。該研究表明，二維TMDCs材料在太空環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能穩(wěn)定性，為研發(fā)高性能空間電子器件提供了重要實驗依據(jù)，也為未來在抗輻射電子器件和高靈敏度光學(xué)傳感器等先進空間技術(shù)中的應(yīng)用提供了新的可能性。
 

二維半導(dǎo)體材料與器件太空在軌飛行試驗前后對比研究
 

　　相關(guān)研究成果以“二維半導(dǎo)體材料太空環(huán)境適應(yīng)性研究”(Space environment adaptability of two-dimensional semiconductor materials)為題，于2月21日發(fā)表于《國家科學(xué)評論》(National Science Review)。
 

　　清華大學(xué)材料學(xué)院2020級博士生俞凌梟、2024級博士生孫湜然和中國航天科技創(chuàng)新研究院賈怡研究員為論文的共同第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院呂瑞濤教授為論文的通訊作者。清華大學(xué)深圳國際研究生院康飛宇教授給予了重要指導(dǎo)。研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、實踐十九號可重復(fù)使用返回式技術(shù)試驗衛(wèi)星項目、中國航天科技創(chuàng)新研究院和中國空間技術(shù)研究院的支持。