On-chip nanoplasma for adaptive electromagnetic protection
本研究引入了基于氮化镓和碳化硅的片上纳米等离子体开关（NPMS），作为半导体二极管在自适应电磁防护方面的优越替代方案，为下一代射频前端提供增强的热耐受性、更宽的带宽以及针对高功率微波威胁的强健屏蔽。
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现代电子设备，从在街道上穿行的机器人到引导飞行的卫星，都依赖于一种被称为射频前端（radio-frequency front end）的精细技术层。该系统充当了设备与不可见的电磁波世界之间的桥梁，使其能够发送和接收信号。它由天线和放大器等微小组件组成，这些组件不断地针对特定频率进行调谐。然而，这种敏感性也是一种脆弱性。在充满强大微波源的环境中，这些设备面临着一种被称为高功率微波的威胁。这些是强烈的能量脉冲，会在瞬间涌入电子电路，造成导致关键系统停机的不可逆转的损坏。几十年来，工程师们一直试图使用开关来保护这些电路，这些开关可以瞬间阻挡此类危险的浪涌，同时让正常的弱信号通过。标准的解决方案一直是半导体二极管，这是一种根据传入信号强度改变其行为的微型电子阀门。然而，随着威胁变得越来越强、越来越快，这些传统的二极管已经开始失效，它们在热量积聚和物理限制方面挣扎，无法反应得足够快以拯救最先进的设备。
国防科技大学的一个研究小组提出了一条不同的路径，即从固体材料转向一种仅存在于瞬时状态下的物质形态：等离子体。在他们的新研究中，他们描述了一种直接构建在计算机芯片上的微型开关，该开关利用捕捉在两个电极之间的薄层气体来创建一道保护屏障。该设备并非依赖于在固体硅片内部电子的运动，而是等待强电磁场的到来。当危险的浪涌袭来时，电场变得如此强烈，以至于将电子从电极表面剥离，使两个电极之间微小的空气间隙变成高度导电的等离子体。这几乎是瞬间发生的，产生了一个短路，将危险的能量从其背后的敏感电路中分流出去。一旦浪涌过去，等离子体就会消失，间隙恢复为绝缘体，允许正常信号再次流动。研究人员选择使用氮化镓电极和碳化硅基底来制造这些开关，这些材料以其承受极端热量和辐射的能力而闻名，而这些正是导致传统开关熔化或失效的常见问题。
该团队通过构建三种不同类型的保护装置来测试这一概念：一个可以阻挡来自空气的波形的平面，一个可以停止接收危险信号的专用天线，以及一个可以限制流经导线的功率的电路组件。在实验中，他们使这些设备承受了强大的微波脉冲，并测量了它们的性能表现。结果表明，纳米等离子体开关能够处理比现有基于二极管的保护器强得多的电场。虽然传统设备通常在约 67,000 伏特/米的电场下表现挣扎，但新型开关可以在超过 123,000 伏特/米的电场下而不发生故障。此外，由于该开关是直接内置于芯片中，无需旧组件所需的笨重封装和焊接，因此它可以在更高的频率范围内有效运行，进入了现代雷达和通信系统工作的毫米波范围。研究人员还发现，该设备可以在多次重复脉冲后依然生存而不退化，这表明它足够坚固，可用于恶劣环境中的长期使用。
最重要的发现之一是这些开关的操作速度。从安全、开放状态到保护、关闭状态的转变仅在皮秒量级完成，这是一个难以想象的时间尺度。这种快速响应使得设备能够在危险浪涌造成任何损害之前将其钳制住。正如研究中所阐述的，未经保护的商用具身智能机器人由于受到高功率微波照射，会导致激光雷达（LIDAR）和电源损坏，这凸显了此类保护的紧迫需求。团队还模拟了设备在极端条件下的行为，证实了在开关过程中产生的热量可以被高效耗散，从而防止电极熔化，这是其他设计中常见的失效点。通过使用在受热时发生分解而非熔化的材料，该设计避免了在一次剧烈事件后经常导致保护装置损坏的短路问题。
这项工作的意义不仅在于制造更强大的机器人或更耐用的无线电。研究人员指出，这项技术可以规模化应用，以保护用于下一代成像系统和高精度检测设备的精密传感器。由于这些开关是使用标准的芯片制造工艺制造的，因此可以将它们集成到各种电子平台中，从无人驾驶飞行器到卫星。研究表明，这种方法可以为跨越广泛频谱（包括目前难以屏蔽的太赫兹范围）的自适应保护系统打开大门。虽然该技术仍处于早期开发阶段，并且需要进一步改进以降低触发开关所需的电压，但其结果提供了明确的概念验证。研究人员已经证明，通过用片上纳米等离子体取代固态开关，可以创造出一层不仅更强、更快，而且能够生存于未来剧烈电磁环境的保护层。
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