清華新聞網(wǎng)2月24日電 隨著人類(lèi)對(duì)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(cè)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(duì)衛(wèi)星核心電子器件的性能提出了嚴(yán)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(wèn)題，逐漸接近其理論極限。二維過(guò)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(zhǎng)期缺乏實(shí)證研究。
近日，清華大學(xué)材料學(xué)院呂瑞濤課題組依托“實(shí)踐十九號(hào)”衛(wèi)星，在國(guó)際上率先開(kāi)展了二維半導(dǎo)體材料與器件的空間在軌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?！皩?shí)踐十九號(hào)”衛(wèi)星是由中國(guó)航天科技集團(tuán)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(yàn)衛(wèi)星。衛(wèi)星搭載了呂瑞濤團(tuán)隊(duì)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(yàn)。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(duì)推動(dòng)二維材料電子器件的發(fā)展具有重要意義。
圖1.“實(shí)踐十九號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射與回收（來(lái)源：央視新聞）
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(kāi)發(fā)了場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）器件。該批二維材料與器件搭載于“實(shí)踐十九號(hào)”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(tuán)隊(duì)同時(shí)對(duì)儲(chǔ)存在地球上和經(jīng)過(guò)太空飛行試驗(yàn)的材料及器件進(jìn)行了光學(xué)及電學(xué)性能測(cè)試。測(cè)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(kāi)關(guān)電流比保持在106-107量級(jí)，顯示出優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)穩(wěn)定性。此外，研究團(tuán)隊(duì)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(chǔ)和地面存儲(chǔ)兩組進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。衛(wèi)星返回后，通過(guò)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(qiáng)度顯著高于地面樣品，而半峰寬基本保持不變，進(jìn)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(jì)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(jí)構(gòu)型解析以及在清潔能源存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)換、超靈敏分子探測(cè)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(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為未來(lái)在抗輻射電子器件和高靈敏度光學(xué)傳感器等先進(jìn)空間技術(shù)中的應(yīng)用提供了新的可能性。
圖2.二維半導(dǎo)體材料與器件太空在軌飛行試驗(yàn)前后對(duì)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(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）。
清華大學(xué)材料學(xué)院2020級(jí)博士生俞凌梟、2024級(jí)博士生孫湜然和中國(guó)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(guó)際研究生院康飛宇教授給予了重要指導(dǎo)。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、實(shí)踐十九號(hào)可重復(fù)使用返回式技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目、中國(guó)航天科技創(chuàng)新研究院和中國(guó)空間技術(shù)研究院的支持。
論文鏈接：
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaf064/8029903
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
