高效的信号传输是人类文明发展的探索目标。面对全球通信与商业航天的爆发式增长需求，开发超低损耗、超低功耗的先进射频技术，已成为突破能效瓶颈、实现下一代高速通信的迫切使命。
然而，传统硅基射频芯片受限于体材料的梯度掺杂分布及大量界面态陷阱，在射频应用中面临高损耗、强干扰和低效率等关键挑战。相比之下，具有原子级平整和天然钝化表面的二维半导体，为发展低损耗、高能效射频电路开辟了极具潜力的新方向。
复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院马周鹏/马顺利/包文中团队在国际上首次实现了晶圆级二维全集成微波发射机系统的原型验证，并从麦克斯韦方程组出发揭示了射频波段原子界面超低损耗传输机制，开拓了二维射频电子学的颠覆创新领域。北京时间9月2日，相关成果以《晶圆级二维集成微波发射机》（“Integrated two-dimensional microwave transmitters fabricated on the wafer scale”）为题发表于《自然-电子学》（Nature Electronics）。
图. 晶圆级二维全集成微波发射机系统及其应用
研究团队基于原子界面超低损耗传输机制和成熟的晶圆级二维工艺，设计并制备了4英寸二维二硫化钼（MoS2）集成微波发射机晶圆，打通从材料、工艺、器件、建模、电路到系统集成与测试的完整链条，在全球率先实现了全集成二维射频系统——这是二维电子学在射频领域的一次里程碑式突破。
通过采用基于低损耗二维MoS2射频开关的时间调制相控阵架构，该二维集成微波发射机无需使用高功耗的有源器件，如放大器和移相器等，克服了传统硅基射频电路的高损耗、高功耗瓶颈。最终，该二维集成微波发射机的功耗仅为3.2 μW，比硅基器件降低4个数量级以上，为未来高效信息传输技术开启了新篇章。
此外，该二维集成相控阵发射机同时具备通信和雷达应用的双重功能，能够实现6 GHz带宽、-35°~35°的大波束扫描角度、1.875 cm的空间分辨率、100 Mbps的数据速率，以及136米的传输距离。当由一节7号电池供电时，该二维相控阵发射机的待机时间长达26天，在救灾救援等极端环境中可以发挥重要作用。整个发射机系统的尺寸小于3×2 cm2，可集成于仿生昆虫、微型机器人上，凭借通信和雷达功能完成侦察等任务。该二维射频系统未来也可集成于人形机器人、智能汽车、卫星互联网等领域，开拓二维电子学在射频应用领域的广阔市场。
得益于二维原子界面低损耗的显著优势，该研究为射频系统提供了颇具潜力的技术路径。展望未来，射频应用有望成为二维电子学实现真正产业化突破的关键方向，并引发学术界和产业界广泛的关注，推动二维材料从实验室走向高附加值应用场景的落地。
复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院的马顺利副教授、包文中研究员和周鹏教授为论文通讯作者，博士后吴天祥、朱立远、博士生董祥麒和马顺利副教授为论文第一作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、科学探索奖等项目支持。
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