Эта электронная система толщиной в один атом, созданная на основе четырехдюймовой кремниевой пластины, выдерживает интенсивные гамма-тесты и девять месяцев на орбите.
Космос беспощаден к электронике. За пределами защитного магнитного поля Земли спутники подвергаются бомбардировке космическими лучами и высокоэнергетическими частицами, которые медленно разрушают хрупкие схемы.
Со временем эти невидимые удары могут привести к повреждению данных, компонентов и сокращению срока службы космического аппарата. Для решения этой проблемы инженеры обычно добавляют мощную защиту, но этот дополнительный вес увеличивает стоимость запуска и ограничивает грузоподъемность миссии.
Теперь группа исследователей из Фуданьского университета предлагает интересное решение этой проблемы. Они создали электронные компоненты из материала настолько тонкого и прочного, что излучение практически не причиняет ему вреда.
В ходе испытаний их тонкая, как атомы, система связи не только выдержала несколько месяцев на орбите, но, по прогнозам, сможет прослужить столетия в более суровых космических условиях.
Создание электроники из одного атомного слоя
Исследователи использовали дисульфид молибдена (MoS₂), соединение, толщина которого может составлять всего один слой атомов — около 0,7 нанометра. В таком масштабе очень мало материала, который мог бы быть поврежден падающим излучением.
Теоретически, энергетические частицы проходят сквозь такие тонкие слои, не создавая дефектов, которые обычно выводят из строя обычные кремниевые чипы.
Чтобы воплотить эту идею в практическое применение, команда сначала вырастила большой однородный лист монослоя MoS₂ на 4-дюймовой подложке. Из этой подложки они изготовили транзисторы — основные строительные блоки электронных схем.
Затем эти транзисторы были собраны в полноценную радиочастотную (РЧ) систему связи, работающую в диапазоне от 12 до 18 гигагерц. Что еще более важно, система включала в себя как передатчики, так и приемники, а это означало, что она могла отправлять и принимать сигналы, подобные тем, которые используются в реальных спутниках.
«На основе процесса получения монослоя 2D MoS2 на 4-дюймовой подложке мы создали радиационно-стойкую радиочастотную (РЧ, 12–18 ГГц) систему на основе атомно-слоевых транзисторов с передатчиками и приемниками для космической связи», — отмечают авторы исследования.
Тестирование системы в реальных условиях
Прежде чем отправлять что-либо в космос, исследователи провели стресс-тестирование схем на Земле. Они подвергли устройства воздействию интенсивного гамма-излучения, чтобы имитировать то, что электроника испытывает на орбите. Затем они детально изучили материал с помощью современных методов визуализации.
Трансмиссионная электронная микроскопия позволила им изучить атомную структуру. Энергодисперсионная спектроскопия проверила, изменился ли химический состав. Рамановская спектроскопия сканировала множество точек по всей пленке для обнаружения структурных повреждений.
Результат оказался неожиданным. В тонком, как атомы, слое не было обнаружено явных признаков структурной или химической деградации. В электрическом отношении устройства вели себя практически так же, как и до облучения. Они сохранили сверхвысокие коэффициенты включения/выключения, показали очень небольшую утечку тока и потребляли мало энергии — важная характеристика для космических аппаратов с ограниченными энергетическими ресурсами.
Решающее испытание состоялось в космосе. Команда запустила систему связи на основе MoS₂ на низкую околоземную орбиту на высоте около 517 километров. В течение девяти месяцев устройство работало в суровых условиях радиационного излучения космоса.
«Примечательно, что система поддерживает частоту битовых ошибок (BER) менее 10⁻⁸ в передаваемых данных после 9 месяцев работы на орбите, что свидетельствует о существенной устойчивости к радиации и длительной стабильности», — заявили авторы исследования.
В качестве демонстрации система успешно передала и приняла гимн Фуданьского университета целиком и с идеальной четкостью.
Более того, на основе данных о радиации, собранных на орбите, и моделей космической среды исследователи подсчитали, что их система может просуществовать целых 271 год на геосинхронной орбите, где уровни радиации намного выше, чем на низкой околоземной орбите.
Будущее электроники на атомарной тонкости
Если эти результаты подтвердятся в будущих миссиях, то тонкостенная электроника может кардинально изменить конструкцию космических аппаратов. Вместо громоздкой защиты спутники смогут использовать схемы, обладающие внутренней устойчивостью к радиации.
Это позволило бы уменьшить вес, снизить стоимость запуска и освободить место для научных приборов или коммуникационных полезных нагрузок. Более долговечная электроника также могла бы продлить срок службы спутников, космических зондов и высокоорбитальных коммуникационных платформ.
Однако остаются и нерешенные проблемы. Например, существующая система демонстрирует радиочастотную связь, но полноценная электроника космического аппарата включает в себя множество других компонентов, в том числе процессоры, системы памяти и блоки управления питанием.
Наращивание объемов производства, интеграция MoS₂ с существующими технологиями и подтверждение надежности в течение еще более длительных миссий станут следующими важными шагами.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Sourse: interestingengineering.com
