亚利桑那大学的研究人员展示了石墨烯纳米带这一具有耐极端环境潜力的纳米级半导体材料的有前景新应用。团队的发现可能有助于克服将聚变能源引入电网的关键障碍。

在发表在《ACS应用材料与界面》期刊上的概念验证研究中，研究人员将称为GNR的纳米带集成到半导体器件中，并使其暴露于伽马射线下。结果表明，这些带状结构可作为聚变反应堆和深空的辐射传感器，在深空环境中，强烈辐射挑战现有技术和对材料劣化的密切监测，有助于保持关键系统稳定运行。

亚利桑那大学工程学院助理教授、首席研究员扎弗·穆特鲁表示：“这些器件在暴露后依然能存活并响应，但其电性能会发生显著变化。”“这正是我们希望传感器表现出的行为。”

基于GNR的传感器可以通过改善工程师监测反应堆第一壁状况的方式，帮助释放聚变能作为清洁、近乎无限的能源的潜力。这一最内层屏障将过热燃料与反应堆结构分隔开来，并在强烈辐射下逐渐退化，需要定期检查和更换。工程师们追踪这些损伤，但如今的硅基传感器无法在第一道墙内存活。相反，它们必须放置在屏障之外，迫使人们依赖运行期间的间接测量和停机后的物理检查。

由于伽马暴露保持了带状结构的原子结构完整，同时产生了强烈且可测量的电响应，研究人员建议基于GNR的传感器最终可以设计成比现有电子设备更靠近反应堆核心的工作——这可能减少昂贵的检查和维护停机，并延长聚变电站的运行时间。

“实时监控是我们对该项目的愿景，”穆特鲁说。

发现内部

虽然这是GNR首次对伽马射线反应的研究，但它们被广泛研究为推动芯片技术突破硅极限的领先候选。它们微观的尺寸和耐用性有望提升从人工智能系统到智能手机等各类芯片的速度和能效。

Mutlu和另外八位来自阿尔伯塔大学的研究作者，从分子层面合成了这些带状结构，然后将它们嵌入通用半导体器件中。他们采用了Mutlu协助开发的新兴制造技术，使丝带宽度正好为九原子，厚度约一原子，平均长度约45纳米——比人发细数万倍。

穆特鲁说，这些微小的丝带遵循的是量子物理的规则，而非经典物理。在没有辐射的情况下，电流以明确的方式通过GNR流动，就像本研究中使用的那样。研究人员的测量表明，伽马射线穿过周围空气时会产生反应分子，这些分子微妙地改变带状边缘，而不改变其整体结构。在这一尺度上，量子效应放大了微小变化对材料中电信号传输的影响。

研究人员提出，这些变化触发了一种称为安德森定位的量子效应，它将携带电荷的电子困在原位并大幅减少电流，产生辐射暴露信号，从而为反应堆维护规划提供更精确的数据。

聚变长期以来被认为是大规模、无碳电力的前景，已达到关键实验室里程碑，包括自2022年以来产生的能量超过激光的实验，但仍面临重大工程障碍。阿利巴马大学的研究人员正与业界合作，推动推动技术的扩展和将聚变发电输送到电网。

与此次聚变应用类似，GNR传感器可以为空间系统提供健康状态数据——包括通信卫星、地球观测卫星和深空探测器——并在故障发生前识别辐射相关磨损的早期迹象。

推动材料设计在纳米尺度上

穆特鲁及其合作者的下一步是对同一装置在不同辐射剂量下进行测试。他们还计划探索不同大小的GNR。经过这些研究，Mutlu 有信心研究中使用的合成方法将使研究人员能够定制新的丝带形式。

“你可以一个一个原子、一个分子一个分子地设计材料。你可以让它变得更不灵敏、更灵敏、不灵敏，“穆特鲁说，他的研究专注于量子材料和半导体器件已超过十年。

这种控制水平对未来的航天系统至关重要，因为电子元件和监测设备都必须在持续辐射暴露下长时间运行。同样能够在原子层面定制材料，还能支持抗辐射半导体芯片以及追踪系统性能的传感器。

该论文的共同第一作者是博士后研究员弓阳健太郎和博士生穆罕默德·尤素福格鲁。

出版信息

弓田健太郎等，九原子宽石墨烯纳米带晶体管对伽马射线照射的电气与结构响应，ACS应用材料与界面（2026年）。DOI：10.1021/acsami.6c02516

期刊信息：ACS应用材料与界面