材料學院呂瑞濤課題組在二維半導體材料與器件太空環境適應性研究方面取得進展

清華新聞網2月24日電 隨著人類對太空探索的不斷深入，衛星技術在通信、導航、氣象監測等領域發揮著日益重要的作用。然而，太空環境的極端條件，如輻射、微重力和高/低溫等，對衛星核心電子器件的性能提出了嚴峻挑戰。其中，傳統的硅基晶體管由于短溝道效應和表面粗糙導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極限的新一代半導體材料受到學術界和產業界高度重視，但其空間環境穩定性長期缺乏實證研究。

近日，清華大學材料學院呂瑞濤課題組依托“實踐十九號”衛星，在國際上率先開展了二維半導體材料與器件的空間在軌驗證實驗。“實踐十九號”衛星是由中國航天科技集團有限公司第五研究院抓總研制的首顆可重復使用返回式技術試驗衛星。衛星搭載了呂瑞濤團隊研制的“基于二維半導體材料的電/光學器件”載荷，載荷順利完成了在軌飛行試驗。該研究為二維半導體材料的太空環境適應性研究提供了新的研究思路和技術范式，對推動二維材料電子器件的發展具有重要意義。

圖1.“實踐十九號”衛星發射與回收（來源：央視新聞）

研究團隊通過化學氣相沉積工藝成功制備出二維WSe₂及鈮摻雜WSe₂材料，并以此為基礎開發了場效應晶體管（FET）器件。該批二維材料與器件搭載于“實踐十九號”返回式衛星，暴露于太空輻射、微重力和高/低溫環境中。衛星返回后，研究團隊同時對儲存在地球上和經過太空飛行試驗的材料及器件進行了光學及電學性能測試。測試結果表明，基于WSe₂和鈮摻雜WSe₂的材料及FET器件在太空環境暴露后仍保持良好的半導體特性，開關電流比保持在10⁶-10⁷量級，顯示出優異的光學和電學穩定性。此外，研究團隊采用化學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存儲和地面存儲兩組進行對比實驗。衛星返回后，通過拉曼光譜和光致發光譜表征發現，艙內樣品的發光強度顯著高于地面樣品，而半峰寬基本保持不變，進一步證明了二維半導體材料在太空環境中的良好適應性。

呂瑞濤課題組主要從事碳基低維材料缺陷設計及性能調控研究，側重于晶格缺陷的可控構筑、原子級構型解析以及在清潔能源存儲/轉換、超靈敏分子探測等領域的應用。該研究表明，二維TMDCs材料在太空環境中表現出優異的光學和電學性能穩定性，為研發高性能空間電子器件提供了重要實驗依據，也為未來在抗輻射電子器件和高靈敏度光學傳感器等先進空間技術中的應用提供了新的可能性。

圖2.二維半導體材料與器件太空在軌飛行試驗前后對比研究

相關研究成果以“二維半導體材料太空環境適應性研究”（Space environment adaptability of two-dimensional semiconductor materials）為題，于2月21日發表于《國家科學評論》（National Science Review）。

清華大學材料學院2020級博士生俞凌梟、2024級博士生孫湜然和中國航天科技創新研究院賈怡研究員為論文的共同第一作者，清華大學材料學院呂瑞濤教授為論文的通訊作者。清華大學深圳國際研究生院康飛宇教授給予了重要指導。研究得到國家重點研發計劃項目、實踐十九號可重復使用返回式技術試驗衛星項目、中國航天科技創新研究院和中國空間技術研究院的支持。

論文鏈接：

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaf064/8029903

供稿：材料學院

編輯：李華山

審核：郭玲