通信系統(tǒng)對(duì)人造衛(wèi)星來說至關(guān)重要，但其平均壽命僅有數(shù)年。這是因?yàn)樘粘錆M著宇宙射線的“槍林彈雨”，會(huì)造成通信系統(tǒng)使用的半導(dǎo)體電子器件性能損傷。但復(fù)旦大學(xué)的周鵬、馬順利團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“青鳥”原子層半導(dǎo)體抗輻射射頻通信系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“青鳥”系統(tǒng)），不僅將衛(wèi)星通信系統(tǒng)的理論在軌壽命延長到271年，也把能耗降低到傳統(tǒng)方案的五分之一，重量更是“瘦身”到原來的十分之一左右，并有望將人造衛(wèi)星的使用年限由3年左右提升至20—30年。
近期，“青鳥”系統(tǒng)依托“復(fù)旦一號(hào)”衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)入太空，在國際上首次實(shí)現(xiàn)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，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表了該成果。
提升宇宙空間競(jìng)爭(zhēng)力
“傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件想要在太空中正常使用，要么‘加人’，要么‘穿衣服’?！睆?fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院副院長周鵬教授形象地解釋，“‘加人’就是增加半導(dǎo)體的部件，例如把原先的一個(gè)部件增加到十個(gè)，即使一個(gè)壞了，還有九個(gè)可以繼續(xù)工作?！┮路褪墙o半導(dǎo)體加一個(gè)金屬材質(zhì)的保護(hù)殼，將宇宙射線的粒子盡可能擋在外面?！钡珶o論“加人”還是“穿衣服”，都未能提升器件本身的抗輻射性能，不僅“治標(biāo)不治本”，還會(huì)大幅增加重量、體積，為航天衛(wèi)星“寸土寸金”且極其有限的載荷空間帶來極大負(fù)擔(dān)。
“青鳥”系統(tǒng)采用的原子層半導(dǎo)體巧妙地解決了這個(gè)問題。所謂原子層半導(dǎo)體，指的是將半導(dǎo)體原子在二維平面上進(jìn)行排布，形成只有一個(gè)或幾個(gè)原子厚度的單層膜。與硅這種傳統(tǒng)的三維體相半導(dǎo)體不同，當(dāng)宇宙射線的粒子射向這層膜時(shí)，就像光穿過一層超薄的玻璃，幾乎不會(huì)影響到這層膜本身。這層只有0.68納米厚度的膜不僅本身重量超輕，也無需增加備份部件或是厚重的防護(hù)殼，還具有高度節(jié)能的特性，為常常依賴太陽能或有限星載電池的太空任務(wù)提供更多的能源保障。
無論在地面上做多少理論驗(yàn)證，都無法完全模擬真實(shí)太空中的復(fù)雜輻射場(chǎng)。復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院副教授馬順利介紹，通過“復(fù)旦一號(hào)”，“青鳥”系統(tǒng)在距地球約517公里的低地軌道上，通過了現(xiàn)實(shí)考驗(yàn)，揭示了該系統(tǒng)在真實(shí)宇宙輻射環(huán)境下的長期工作穩(wěn)定性與可靠性?！霸谲夁\(yùn)行9個(gè)月后，傳輸數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率仍低于一億分之一?！瘪R順利說。
該技術(shù)能夠極大提升太空數(shù)據(jù)的處理效率?！拔磥?，我們考慮把相關(guān)技術(shù)部署到太空中，進(jìn)行圖像處理等方面的實(shí)時(shí)計(jì)算。這樣就不需要將數(shù)據(jù)傳送回地面?！敝荠i說，“青鳥”系統(tǒng)驗(yàn)證的原子層半導(dǎo)體的抗輻射能力，能夠確保衛(wèi)星上的電子系統(tǒng)乃至整顆衛(wèi)星運(yùn)行可控、穩(wěn)定，為深空探測(cè)、高軌衛(wèi)星、星際通信、太空計(jì)算等前沿空間任務(wù)奠定了獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)力。
所有制造環(huán)節(jié)完全自研
“青鳥”系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到制造，團(tuán)隊(duì)克服重重困難，實(shí)現(xiàn)所有環(huán)節(jié)完全自研?！斑@項(xiàng)成果花了我們約五年的時(shí)間，僅等待衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)間窗口就用了一年左右。”馬順利說。他介紹，從對(duì)材料的選擇開始，到后面的制作元器件、電路設(shè)計(jì)、聯(lián)合調(diào)試……全由團(tuán)隊(duì)親力親為，僅一輪實(shí)驗(yàn)走下來就得半年。
團(tuán)隊(duì)的攻堅(jiān)克難同時(shí)填補(bǔ)了多項(xiàng)空白?！袄纾覀儾捎昧嗽訉影雽?dǎo)體材料來制作元器件，卻沒有相關(guān)的成熟設(shè)計(jì)工具，所以自己開發(fā)了一套工具。目前，我們是國內(nèi)唯一能夠進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)。”
馬順利介紹，該成果未來有望產(chǎn)業(yè)化?！俺藢⒖馆椛涞暮诵某晒a(chǎn)業(yè)化，我們已經(jīng)建立起來的制造鏈條也可以與產(chǎn)業(yè)界對(duì)接。”周鵬則介紹，“青鳥”系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)與現(xiàn)有產(chǎn)能完全兼容，可以直接投產(chǎn)，因此量產(chǎn)并非難事，且后續(xù)成本還能進(jìn)一步降低。
除了太空，在地面的高輻射環(huán)境中，原子層半導(dǎo)體技術(shù)也大有用武之地?！袄?，核工業(yè)也是高輻射場(chǎng)景，人們希望用機(jī)器人來承擔(dān)相關(guān)工作，原子層半導(dǎo)體就能夠助其勝任?！敝荠i說。
