引言：當超薄材料遇見星辰大海

在浩瀚宇宙中，衛星如同人類的“太空之眼”，承擔著通信、導航、科學探測等重任。然而，想讓衛星在極端宇宙環境中“活”得更久、性能更穩，核心電子器件必須扛得住輻射、耐得了振動沖擊，還能在微重力等極端條件下“淡定”工作。傳統硅基半導體已逐漸逼近性能極限，而一種厚度僅原子級別的“黑科技”材料——二維過渡金屬硫族化合物（TMDCs），正以獨特的性能闖入科學家視野。

近日，清華大學材料學院呂瑞濤教授團隊聯合中國航天科技創新研究院賈怡研究員，在權威期刊《國家科學評論》（National Science Review）發表重要成果。二維半導體材料與器件搭載于我國首顆可重復使用返回式衛星“實踐十九號”，在太空環境中完成了一場為期14天的在軌驗證，揭示了二維材料在宇宙環境中的優異適應性，為下一代太空材料技術奠定基礎。


“實踐十九號”衛星發射與回收 （來源：央視新聞）

太空實驗：一場材料科學的“星際穿越”

2024年9月27日，“實踐十九號”衛星搭載呂瑞濤教授團隊的二維半導體材料與場效應晶體管（FET）器件發射升空。這些材料與器件被安置在衛星艙壁與防隔熱層之間，直接暴露于太空強輻射以及發射/回收階段的強烈振動沖擊等復雜環境中。經歷14天軌道飛行后，衛星于10月11日成功返回地球。研究團隊對“太空歸來”的材料進行了“體檢”，并與地面保存的樣本展開對比，揭示了兩大關鍵發現：

1. 光學性能“穩如泰山”

通過拉曼光譜和光致發光光譜（PL）測試表明，經歷太空旅行的二硒化鎢（WSe2）、二硫化鎢（WS2）及鈮（Nb）摻雜WSe2等材料，其成分結構和光學性能未見明顯衰退。例如，WSe2的特征拉曼峰（250.3 cm-1和260.3 cm-1）和光致發光峰都變化甚微。

2. 電子器件“逆境求生”

團隊制備的基于單層WSe2和Nb摻雜的WSe2的二維晶體管在太空極端環境下仍保持優異電學性能。盡管經受了極端太空環境影響，但器件的開關比仍能夠保持106量級，展現出優異的太空環境穩定性。

二維半導體材料與器件太空在軌飛行試驗前后對比研究

“亮眼表現”：從實驗室到太空環境的跨越

實驗結果表明，二維過渡金屬硫族化合物（TMDCs）材料在太空環境中表現卓越，具備三大核心優勢：

（1）超強穩定性：歷經衛星發射/回收過程的高振動以及在軌飛行過程中空間極端環境的強輻射等多重考驗，材料的光學和電學性能依然保持穩定；

（2）廣泛適應性：無論是單晶還是摻雜體系，TMDCs材料都能輕松應對復雜環境，展現出很強的太空環境適應性；

（3）應用潛力巨大：這些特性為開發下一代空間電子器件和高性能光學傳感器奠定了堅實的材料基礎。

結語：硬核實驗背后的“中國航天黑科技”

該研究在國際上首次報道了二維半導體材料與器件在軌適應性的實測結果，具有重要的開創性意義。此次實驗的成功，離不開我國航天技術的強力支持?！皩嵺`十九號”作為中國首顆可重復使用返回式衛星，不僅能夠實現太空在軌實驗，還能成功回收載荷，并可多次重復使用，堪稱新一代“太空實驗室”，將極大推動空間新技術和新材料的研發，助力空間科學領域的研究。

來源: 《中國科學》雜志社