Группа исследователей из китайского Университета Фудань разработала электронные компоненты на основе монослойного дисульфида молибдена (MoS₂), способные функционировать в условиях космической радиации без применения традиционной массивной экранирующей защиты. Результаты испытаний опубликованы в журнале Nature.
За пределами магнитосферы Земли электроника космических аппаратов подвергается воздействию высокоэнергетических заряженных частиц, которые вызывают деградацию полупроводниковых структур, сбои в обработке данных и сокращение ресурса аппаратуры. Стандартным инженерным решением остаётся применение защитных экранов, однако такая защита существенно увеличивает массу спутника и стоимость выведения.
Принцип работы: тонкослойная структура вместо экранирования
Специалисты Университета Фудань предложили альтернативный подход, основанный на использовании материала с предельно малой толщиной. В качестве базового полупроводника применён дисульфид молибдена — слоистое соединение толщиной около 0,7 нанометра (один атомный слой). Ключевая особенность такой структуры заключается в том, что высокоэнергетические частицы проходят сквозь монослой, не формируя устойчивых дефектов решётки, характерных для объёмных кремниевых кристаллов.
Исследователи вырастили однородную плёнку MoS₂ на подложке диаметром 10 сантиметров и изготовили из неё транзисторы. Затем была собрана законченная радиочастотная система, работающая в диапазоне от 12 до 18 ГГц и включающая как передающие, так и приёмные модули — полный функциональный аналог спутникового коммуникационного оборудования.
Наземные и орбитальные испытания
На первом этапе устройство прошло тесты с интенсивным гамма-облучением в лабораторных условиях. Структурный и химический анализ не выявил признаков деградации материала. Далее систему запустили на орбиту высотой 517 километров. За девять месяцев работы частота битовых ошибок при передаче данных не превысила 10⁻⁸.
На основании полученных данных учёные рассчитали прогнозируемый ресурс электроники для условий геосинхронной орбиты, где уровень радиации выше. Согласно расчётам, система способна сохранять работоспособность в течение более чем 270 лет.
Перспективы и ограничения технологии
Отказ от тяжёлой радиационной защиты может снизить массу спутников и затраты на их запуск. Однако на данном этапе разработанная система обеспечивает только радиочастотную связь. Для создания полноценного космического аппарата потребуются процессоры, модули памяти и блоки управления на той же элементной базе.
Следующие задачи, которые ставят перед собой разработчики, — масштабирование производства монослойных структур и интеграция электроники на основе MoS₂ с существующими кремниевыми технологиями.