2D 半导体去了一趟太空【清华大学&中国航天 National Science Review】

我爱免费

作者：微信文章
感谢关注，欢迎来稿






2D 半导体材料和器件太空在轨飞行测试前后的比较


Comparisons of 2D semiconductor materials and devices before and after in-orbit flight test in space. (a) Schematic diagram of the as-fabricated back-gate FET based on 2D materials. (b and c) Photographs of (b) WSe2 and (c) Nb-doped WSe2 back-gate FETs after space test. (d–g) Optical microscope images of (d and e) WSe2 and Nb-doped (f and g) WSe2 FETs before and after space test. (h) PL spectra and (i) Raman spectra of CVD-grown WS2 flakes before and after space test. (j and k) Raman spectra of (j) CVD-grown WSe2 and (k) Nb-doped WSe2 flakes before and after space test. PL spectra of (l) CVD-grown WSe2 and (m) Nb-doped WSe2 flakes before and after space test. (n and o) Transfer characteristics (Ids−Vg) swept gate voltages from −100 to 40 V of the FETs based on (n) monolayer WSe2 and (o) Nb-doped WSe2 before and after the space test.
通过测量 FET 的电学性能，以详细说明 2D 晶体管的空间适应性。在卫星发射前后测量了 Ids-Vg 传输特性。所有曲线都表现出典型的 p 型半导体行为。尽管在恶劣环境测试后导通电流有所下降，但这些器件仍然保持了良好的开关特性。对于基于 WSe2 的器件，在暴露于太空之前和之后，导通电流下降了大约一个数量级，关断电流保持在 < 1E12 A/μm。导通电流的降低是由于加载过程中长时间暴露在空气中和严重的表面污染;但开关比仍达到 ∼6 个数量级水平。对于基于 Nb 掺杂 WSe2 的器件，器件的导通/关电流比在太空环境暴露前后变化不大。还研究了空间测试对 SiO2 介电层的影响;介电层 （SiO2） 的泄漏电流在太空飞行测试前在皮安 （pA） 范围内，测试后增加到纳安 （nA） 范围，表明其绝缘性能因 SiO2 中的辐射诱导缺陷而恶化。总体而言，即使在轨道飞行期间经历恶劣的太空环境后，2D 半导体器件的电学特性也几乎没有变化。CVD 生长材料和 FET 器件表现出对太空条件的卓越适应性，为未来的太空应用带来了巨大的前景。WSe2 和 Nb 掺杂 WSe2 的材料表征

Materials characterizations of WSe2 and Nb-doped WSe2. (a) W 4f XPS fine scan spectra of WSe2 and Nb-doped WSe2. (b) Se 3d XPS fine scan spectra of WSe2 and Nb-doped WSe2. (c) HAADF-STEM images of Nb-doped WSe2. (d) intensity profile of white box in (c). For Fig. S1(a) and (b), compared to WSe2, both W 4f7/2 peak and Se 3d5/2 peak in Nb-doped WSe2 shift towards lower binding energy. The peak shifts are attributed to the doping of Nb. From Fig. S1(c), it can be observed that Nb enters WSe2 in the form of substitutional doping. Additionally, since elements with higher atomic numbers display higher brightness in the image, combined with Fig. S1(d), atoms in the darker position correspond to Nb with a lower atomic number.通过对 CVD 生长的 TMDC 材料和基于 WSe2 和 Nb 掺杂 WSe2 的预制场效应晶体管进行了空间环境适应性研究，这些材料被装载到实践十九号太空舱中（铝皮和隔热层之间），直接暴露在太空的恶劣环境中，包括辐射、微重力和高/低温， 在 14 天的轨道飞行期间。隔热材料中的聚合物在高温下挥发，并在卫星穿过大气层时沉积在材料和器件的表面，导致严重污染。对于 CVD 生长的 Nb 掺杂 WSe2，通过XPS和HAADF-STEM 确认了 Nb 掺杂到 WSe2 中。在卫星回收后，为用于光学和电气测量的材料和器件选择相同的测试位置，以进一步评估样品的空间环境适应性。2D FET 器件的光学图像（在卫星回收后拍摄）

Optical microscope images of back-gate vdW integrated FET device (taken after the satellite’s recovery) (a) WSe2-based FET device (b) Nb-doped WSe2-based FET device.单层和双层 WSe2 的拉曼和 PL 光谱。（地球：在卫星发射前测试; 太空：卫星返回后测试）

Raman and PL spectra of monolayer and bilayer WSe2 (Earth : Captured and tested before the satellite launched; Space: Captured and tested after the satellite recovered) (a) Raman spectra of monolayer WSe2 (b) Raman spectra of bilayer WSe2 (c) PL spectra of monolayer WSe2 (d) PL spectra of bilayer WSe2.单层和双层 MoSe2 的拉曼和 PL 光谱。（地球：在卫星发射前测试; 太空：卫星返回后测试）

Raman and PL spectra of monolayer and bilayer MoSe2. (Earth: Captured and tested before the satellite launched; Space: Captured and tested after the satellite recovered) (a) Raman spectra of monolayer MoSe2. (b) Raman spectra of bilayer MoSe2. (c) PL spectra of monolayer MoSe2. (d) PL spectra of bilayer MoSe2.太空飞行测试前后 SiO2 介电层的漏电流比较

Comparison of leakage current of the SiO2 dielectric layer before and after the space flight test. The leakage current has increased by two orders of magnitude after space flight, indicating the deterioration of insulating properties.除了恶劣的太空环境测试外，还在航天器内部进行了补充测试，以展示 2D 半导体材料的进一步潜力。在这里，以不同层的 CVD 生长的 WSe2 和 MoSe2 为例。来自同一生长批次的样本被分为两组：一组放置在太空舱内，另一组储存在地球的环境条件下。卫星返回后，对两组样品进行拉曼和 PL 表征，以消除生长和时间的影响，作为比较对照。地球样品和太空样品的拉曼光谱差异很小，而太空暴露样品的 PL 强度高于地球储存样品的 PL 强度，FWHM 也几乎没有变化。总结该工作探索了 2D TMDC 材料在复杂空间环境条件下对光学和电性能的卓越适应性。2D 晶体管在空间测试后也保持了良好的半导体开关特性。研究结果为它们在先进太空技术中的应用开辟了新的可能性，例如高效光伏、抗辐射电子设备和高灵敏度光学传感器，并加深了我们对材料-环境相互作用的理解，这对于设计更多适合太空条件的 2D 材料至关重要。因此，二维材料对太空环境的适应性不仅凸显了它们在下一代航空航天应用中的潜力，也激发了对其在地球上其他极端环境中应用的进一步探索。器件信息
背栅和介电层分别由 Si 和 300 nm 厚的 SiO2 组成。此外，该器件的沟道长度为 4 μm，其中 50 nm 厚的 Au 电极作为源极和漏极，转移到单层 WSe2和 Nb 掺杂 WSe2上。卫星回收后器件表面严重污染表明测试环境条件恶劣。引用Lingxiao Yu, Shiran Sun, Yi Jia, Feiyu Kang, Ruitao Lv, Space environment adaptability of 2D semiconductor materials, National Science Review, Volume 12, Issue 4, April 2025, nwaf064, https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf064感谢关注，如有疏漏，欢迎指正，点击左下角“阅读原文”可直达原文。