清華新聞網(wǎng)2月24日電 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(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?！皩嵺`十九號”衛(wèi)星是由中國航天科技集團(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)試驗衛(wèi)星。衛(wèi)星搭載了呂瑞濤團(tuán)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。

圖1.“實踐十九號”衛(wèi)星發(fā)射與回收（來源：央視新聞）

研究團(tuán)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(tuán)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(jìn)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(tuán)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(jìn)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(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(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）。

審核：郭玲