清华*中国航天:二维半导体材料“勇闯”太空,解锁宇宙电子器件新可能 | NSR

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作者：微信文章




引言：当超薄材料遇见星辰大海

在浩瀚宇宙中，卫星如同人类的“太空之眼”，承担着通信、导航、科学探测等重任。然而，想让卫星在极端宇宙环境中“活”得更久、性能更稳，核心电子器件必须扛得住辐射、耐得了振动冲击，还能在微重力等极端条件下“淡定”工作。传统硅基半导体已逐渐逼近性能极限，而一种厚度仅原子级别的“黑科技”材料——二维过渡金属硫族化合物（TMDCs），正以独特的性能闯入科学家视野。

近日，清华大学材料学院吕瑞涛教授团队联合中国航天科技创新研究院贾怡研究员，在权威期刊《国家科学评论》（National Science Review）发表重要成果。二维半导体材料与器件搭载于我国首颗可重复使用返回式卫星“实践十九号”，在太空环境中完成了一场为期14天的在轨验证，揭示了二维材料在宇宙环境中的优异适应性，为下一代太空材料技术奠定基础。



“实践十九号”卫星发射与回收 （来源：央视新闻）

太空实验：一场材料科学的“星际穿越”

2024年9月27日，“实践十九号”卫星搭载吕瑞涛教授团队的二维半导体材料与场效应晶体管（FET）器件发射升空。这些材料与器件被安置在卫星舱壁与防隔热层之间，直接暴露于太空强辐射以及发射/回收阶段的强烈振动冲击等复杂环境中。经历14天轨道飞行后，卫星于10月11日成功返回地球。研究团队对“太空归来”的材料进行了“体检”，并与地面保存的样本展开对比，揭示了两大关键发现：

1

光学性能“稳如泰山”

通过拉曼光谱和光致发光光谱（PL）测试表明，经历太空旅行的二硒化钨（WSe2）、二硫化钨（WS2）及铌（Nb）掺杂WSe2等材料，其成分结构和光学性能未见明显衰退。例如，WSe2的特征拉曼峰（250.3 cm-1和260.3 cm-1）和光致发光峰都变化甚微。

2

电子器件“逆境求生”
团队制备的基于单层WSe2和Nb掺杂的WSe2的二维晶体管在太空极端环境下仍保持优异电学性能。尽管经受了极端太空环境影响，但器件的开关比仍能够保持106量级，展现出优异的太空环境稳定性。



二维半导体材料与器件太空在轨飞行试验前后对比研究

“亮眼表现”：从实验室到太空环境的跨越

实验结果表明，二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）材料在太空环境中表现卓越，具备三大核心优势：

（1）超强稳定性：历经卫星发射/回收过程的高振动以及在轨飞行过程中空间极端环境的强辐射等多重考验，材料的光学和电学性能依然保持稳定；

（2）广泛适应性：无论是单晶还是掺杂体系，TMDCs材料都能轻松应对复杂环境，展现出很强的太空环境适应性；
（3）应用潜力巨大：这些特性为开发下一代空间电子器件和高性能光学传感器奠定了坚实的材料基础。

结语：硬核实验背后的“中国航天黑科技”


该研究在国际上首次报道了二维半导体材料与器件在轨适应性的实测结果，具有重要的开创性意义。此次实验的成功，离不开我国航天技术的强力支持。“实践十九号”作为中国首颗可重复使用返回式卫星，不仅能够实现太空在轨实验，还能成功回收载荷，并可多次重复使用，堪称新一代“太空实验室”，将极大推动空间新技术和新材料的研发，助力空间科学领域的研究。

该项成果发表于《国家科学评论》（National ScienceReview, NSR），清华大学材料学院2020级博士生俞凌枭、2024级博士生孙湜然、中国航天科技创新研究院贾怡研究员和清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授为论文共同作者，清华大学材料学院吕瑞涛教授为通讯作者。

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https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf064