复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室集成电路与微纳电子创新学院周鹏、马顺利研究团队研制“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统，依托“复旦一号”（澜湄未来星）卫星平台，在国际上首次实现基于二维电子器件与系统的在轨验证，开辟了原子层半导体太空电子学领域标志着人类向构建高可靠、轻量化太空电子系统迈出关键一步。相关成果于北京时间1月29日凌晨发表于《自然》（Nature）。
人类正不断刷新太空探索的边界，从火星探索到新一代全球通信网络卫星星座的编织，高性能通信系统始终是太空任务的“关键纽带”。然而，在太空中，高能粒子等空间辐射无处不在，极易引发硅基电子器件性能退化，甚至导致灾难性故障，这严重威胁着航天器的在轨寿命。
如何才能增强电子器件的抗辐射能力，让通信系统寿命更长？当前主流的抗辐射方案，是增加屏蔽层或采用冗余加固电路，这虽能提升可靠性，却也付出了体积增大、重量上升、功耗攀升等代价，与未来航天系统“轻量化、智能化、低成本”的发展目标背道而驰。
面对这一挑战，周鹏-马顺利团队创新电子通信系统，提出全新的技术路径。“加强化学键强度、增加冗余等传统抗辐射方案，都是在进行硬性对抗。而我们秉持‘它强由它强，明月照大江’的理念，让辐射粒子‘穿堂而过’、不做停留，好比现实世界里的玻璃对于可见光，二者和谐共处，不带来伤害。”周鹏解释道。
空间辐射免疫概念图
现在通信系统所使用的芯片多由硅材料制作，硅片厚度往往在几百微米，一些薄层硅至少也有几十纳米；而二维半导体材料是原子级别，厚度不到1纳米。团队发现，原子层级薄的二维半导体材料会积累最小的辐射诱导损伤，进而实现空间辐射免疫。即便高能粒子偶尔造成个别原子键的破坏，产生微小缺陷，但对于本身缺陷密度就相对较高的新型半导体材料而言，这种额外损伤对其整体电学性能影响微乎其微。
团队专门对原子层半导体材料及器件进行了地面模拟辐照实验，采用的辐射剂量达到10兆拉德，这也是国内目前能达到的最高剂量水平之一。结果显示，器件性能依然保持稳定。但地面实验的成功只是第一步。长期以来，二维电子系统的空间应用缺乏在轨数据支撑，制约了其从实验室走向工程实际。
历经五年多探索，团队在材料、器件、搭载卫星等多点协同攻关，2022年获得将芯片搭载“复旦一号（澜湄未来星）”卫星平台的机会，随后展开制备通信系统、将芯片与卫星平台对接的复杂系统工程。基于原子层级半导体材料，团队制备了4英寸基于单层二硫化钼（MoS2）的抗辐射集成射频（12~18 GHz）通信系统，该系统被命名为“青鸟”，能够应用于星载通信。
研制“青鸟”（QingNiao）原子层半导体抗辐射射频通信系统
2024年9月24日，“青鸟”通信系统搭载卫星成功发射到距地球约517公里的低地球轨道（LEO）。团队将“复旦大学校歌”的原始手稿照片存入“青鸟”系统的存储器中，并完成了以“复旦大学校歌”为信号的太空星内通信传输，最后经卫星天线发射并返回地面站解码后，“复旦大学校歌”信号复原准确无误。
“青鸟”通信系统搭载卫星成功发射
随着“青鸟”系统将《复旦大学校歌》成功传回地面，
开辟了“原子层半导体太空电子学”的创新领域
系统在轨运行9个月后，其传输数据的误码率仍低于10-8，展现出优异的抗辐射性和长期稳定性。即使在辐射环境更为恶劣的地球同步轨道（GEO）上，该二维星载通信系统的理论在轨寿命预计可达271年，较传统硅基系统提升两个数量级。与此同时，系统发射机-接收机链路的功耗不足传统硅基射频系统的五分之一，确保了在严苛功率预算下仍能维持高性能通信。“超长寿命”与“超低功耗”的双重优势，为二维电子系统在深空探测、高轨卫星等空间任务中带来了独特竞争力。
“在航天领域，可靠性和功耗往往比极致的小型化更重要。”周鹏指出，该系统在长寿命与低功耗方面的天然优势，使其在规模化应用后，全生命周期成本将显著低于传统抗辐射方案，“是一个价值可达数十亿甚至百亿美元级别的潜在市场”。
当前，我国航天强国建设与商业航天发展进入快车道，突破空间电子技术瓶颈已成为国家战略科技力量的重要组成部分。新一代抗辐射电子系统，不仅有望支撑下一代卫星互联网、深空探测等重大工程，也将为我国在新一代空间信息基础设施中赢得先机。
团队合影
复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院马顺利副教授和周鹏教授为论文通讯作者，博士后朱立远为论文第一作者。复旦大学现代物理研究所杨洋副教授团队在载荷设计方面提供了重要技术支持，并高效协调落实了地面辐照实验所需的测试条件。研究工作依托复旦大学“复旦一号（澜湄未来星）”卫星平台开展，得到了科技部、教育部、国家自然科学基金委、上海市科委、科学探索奖等项目的资助，以及教育部创新平台的支持。