太空環境對電子設備極其殘酷,因為離開地球的保護性磁場后,在宇宙射線和高能粒子大量轟擊下,精密電路會慢慢被侵蝕。這些看不見的沖擊會損壞部件、破壞數據、縮短航天器壽命。為了解決這一挑戰,目前大家都是在航天器重要敏感的電子部位增加厚重的防護層,但會增加額外的重量,限制載荷能力。
最近,復旦大學的研究人員發表在《自然》雜志的創新實驗結果,讓科學界看到了未來抗輻射電路的研究方向。
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研究人員使用二硫化鉬(MoS?),制成僅一層原子厚的化合物——約0.7納米。理論上,這么微小的維度,已經沒有什么材料結構可被入侵的輻射粒子破壞。因此,太空中高能粒子穿過如此薄的物質層,不會產生傳統硅芯片的缺陷。這層單層MoS?薄膜生長在一塊4英寸的晶圓上,采用HfO?(二氧化鉿)作為絕緣柵極,并且制作成晶體管結構,然后將這些晶體管連接成一個完整的包含發射器和接收器的無線(RF)通信系統,工作頻率在12到18吉赫之間,可以在衛星上發送和接收信號。
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在將實驗電路送入太空之前,研究人員在地球上用強烈的伽馬輻射對其進行了轟擊,模擬其在太空地球軌道上經歷的環境。然后使用電子顯微鏡觀察電路 結構,能量色散X射線光譜儀檢測化學成分,拉曼光譜對薄膜進行掃描探傷,結果是沒有明顯的結構或化學降解跡象。并且在電性能方面,表現幾乎與高輻射前完全相同,保持了超高的開關比,泄漏電流小,低功耗,很符合航天器要求。
隨后,團隊將基于MoS?的通信系統發射約517公里的低地球軌道,運行了九個月。發現其9個月后,傳輸數據的比特錯誤率(BER)始終低于10的負8次方以下,這表明其具有顯著的抗輻射能力和長期穩定性。(參考誤碼率,地面千兆網限制為10?1?,我國光纜通信系統的誤碼率要求優于10??,量子保密通信合法用戶的BER需低于10??)
經過實際運行,基于軌道上收集的輻射數據和太空環境模型,研究人員估計這種電路在地球同步軌道的太空環境中能夠生存長達271年。盡管當前系統展示的僅是無線通信電路,完整的航天器電子系統涉及處理器、存儲系統和電源管理單元等,但這種原子級電路設計有可能改變航天器設計。衛星無需依賴臃腫的屏蔽裝置,而可以使用本身具有抗輻射能力的電路。這將極大減輕航天器發射重量,騰出空間安放更多的科學儀器載荷,并且極大延長衛星、深空探測器和遠地軌道通信平臺的使用壽命。
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