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隐身战机克星?中国新材料将使雷达探测距离增加50倍

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  现代作战是建立在电子技术基础上的战争,谁的电子装备拥有优势谁就能夺取制电磁权,进而夺取战场信息主导权。在单向透明的情况下对敌人发起攻击,电子设备的性能与材料密切相关,如F-16和F-22都使用了有源相控阵雷达,但二者的材料完全不同,性能相差巨大。这里所说的材料指的主要是半导体材料,衡量半导体材料的主要指标功率/质量比和反应灵敏度,前者描述在一定质量下器件功率有多大,后者描述器件工作状态转换和小信号检测能力有多强,而中国在这方面最近取得的成果很可能会时雷达性能获得大幅度提升。

  美F-22机载雷达AN/APG-77使用了以氮化镓为基底材料的半导体,其电子迁移速率和质量功率比相对于传统砷化镓材料雷达提高了约5~10倍。这就意味,在同样雷达同质量的情况下,可以在对手1.5倍以上距离探测目标,这必然带来极大的战术优势,我国目前虽然已制备成功氮化镓晶体,但能工程使用的该材料还有差距,这也让我军飞机、舰艇与敌人实施制电磁权争夺时处于劣势。徐宇曦教授发表的一篇名为《界面溶液法合成半导体二维聚合物》的论文非常值得注意,标志着我国已经拥有了在实验室制备二维半导体材料的能力,这种材料的威力将能大幅度提高电子设备性能。

  所谓二维半导体是相对三维半导体而言的,这种半导体非常薄,在厚度上只由一个原子组成,与块状的三维半导体相比,这类半导体内的电子迁移速率非常快。这是因为,受限于三维空间环境,在施加电压后,半导体内的电子虽然部分会沿着一个大致确定的方向移动,但整体会在三维空间内乱飞,大多数运动能量被消耗。而在二维半导体内,电子无法向第三维移动,因而就会大大增加电流。这种性能增加有多少呢?国家纳米科学中心论文给出的结论是功率质量比1000倍!反应灵敏度超出6000倍!这意味着什么呢?我给大家来算算这笔账。

  雷达的探测距离于功率和灵敏度的四次方成正比,在采用该种材料后,同样体积重量的雷达将能实现现有雷达的50倍!以F-22为例,其RCS极小值为0.0001㎡,可以缩小现有雷达对正常战机探测距离的13倍,一个能探测150千米的机载雷达,只能在10千米附近发现F-22,但当雷达使用了二维半导体材料后,却能在576km处发现F-22,考虑到目前隐身飞机的隐身能力已经几乎到极限,特别是难以降低最小值,因此可以说一旦该种雷达投产,隐身飞机神话再也无法重现了。此外,需要注意的是,这种新型材料具有柔软、可塑性强的优点,在此特点影响下,研究能贴在飞机表面的共形雷达天线阵也就水到渠成了。

  二维半导体材料一般具有热力稳定性,这让使用化学方法可控制备成为可能,一般的方法是化学气相输运法先合成半导体合金块体,而后使用机械剥离法进行制备。

  以二硫族化物为例,化学气相输运法指将一些单组份的粉末材料和一定量的输运试剂置于真空石英管内,将该石英管置入有一定温度梯度的反应管,最后再将一端放置于高温环境,一端放置于低温环境,在低温区会生长出合金单体晶块。通过反复的机械剥离,就可以在约30纳米的基底上生成二维二硫化物材料,但这种方法比较粗糙,耗时较长,难以大规模生产。后来科学家发明出了物理气相沉积法和化学气相沉积法。

  物理气相沉积法是指在高温下直接蒸发单组份的粉末源,在低温下实施凝结沉积得到单层二维半导体材料,沉积区的温度梯度极为关键,如操作正常,最终会得到一层二维半导体薄膜。化学气相沉积法指使用氧化物和欲制备的材料单质为反应源,令其在特定高温下挥发并发生化学反应,最终在容器附近沉积出一层二维半导体材料薄膜。

  徐宇曦教授所在的课题组就是在化学气相沉积法上实施改进,利用1, 4-间苯二腈在二氯甲烷和三氟甲磺酸的界面发生腈三聚反应合成二维含三嗪高分子,这种二维高分子在有机溶剂中具有极好的分散性。这使得它只需经过简单的抽滤就可以形成具有固定尺寸的柔性高分子薄膜,更为神奇的是其能良好制备成场效应晶体管器件,直接用于各类电子半导体元件。

  但是,我们还应当看到,研制这种材料的思路虽然不错,但离实用化还有很远的路要走。二维半导体材料只能小部分存在于实验室内,成本代价高昂,大规模制造的问题目前没有办法解决。如果每次可制造几毫米,都已经处于世界顶尖水平了。而且,制造出几毫米就已经是集中整个实验室全部人力物力做很久。不过,二维半导体材料是未来雷达电子系统发展方向,中美都在搞,但现在也都是刚起步阶段。

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