维度网讯，亚利桑那大学（University of Arizona）的研究人员发现，将石墨烯纳米带集成到半导体器件中并使其暴露于伽马辐射后，这些纳米带可作为聚变反应堆和深空应用的先进辐射传感器，相关成果已发表在《ACS应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）期刊上。

研究团队将石墨烯纳米带（GNRs）集成到半导体器件中并测试其对伽马辐射的响应，实验结果表明，这些纳米带能够在聚变反应堆和深空探测等极端环境中工作，而强烈的辐射对现有硅基传感器构成了挑战。研究人员指出，密切监测材料退化有助于在这些环境中保持关键系统的可靠运行。首席研究员、亚利桑那大学工程学院材料科学与工程助理教授Zafer Mutlu表示，这些器件在辐射暴露后仍能存活并响应，但电性能发生了显著变化。

在聚变能应用方面，基于GNR的传感器可通过改进工程师监测核反应堆第一壁状态的方式，帮助开发清洁、近乎无限的聚变能源。第一壁是分隔过热燃料与反应堆结构的最内层屏障，在强辐射下会逐渐退化，需要定期检查和更换。目前，工程师追踪这种损伤时，现有的硅基传感器无法在第一壁内部存活，必须放置在屏障外部，只能依赖间接测量和停机后的物理检查，成本高昂且耗时。

伽马暴露实验显示，纳米带的原子结构保持完整，同时产生了强烈且可测量的电响应。这一发现表明，基于GNR的传感器有望被设计成在比现有电子设备更靠近堆芯的位置运行，从而减少因检查和维护导致的停机，增加聚变电站的运行时间。

这是首次研究石墨烯纳米带对伽马辐射的响应。此前，GNRs因其微观尺寸和出色的耐久性，已被广泛研究用于推动芯片技术超越硅的极限。数年前，美国能源部太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory, PNNL）的研究人员将石墨烯添加到电工级铜中，发现它降低了金属的电阻温度系数，同时不降低室温下的电导率。石墨烯还被发现能够提升锂离子电池的性能，提高能量密度并增强循环性能。

在亚利桑那大学的研究中，Mutlu领导的团队从分子水平合成纳米带，然后将其嵌入常见的半导体器件中。他们使用了一种新兴制造技术，使纳米带的宽度约为九个原子、厚度为一个原子、长度约45纳米，比人类头发细数万倍。Mutlu介绍，这些微小的纳米带遵循量子物理而非经典物理的行为。没有辐射时，电流通过GNRs以明确的方式流动。研究人员的测量表明，穿过周围空气的伽马辐射会产生反应性分子，这些分子改变了纳米带边缘，而不改变整体结构。在这个尺度上，量子效应放大了微小变化对电信号传输的影响。

研究人员认为，这些变化触发了称为安德森局域化（Anderson localization）的量子效应，该效应会捕获载流电子，使电流急剧减小，从而产生可测量的辐射暴露信号，可为反应堆维护计划提供更精确的数据。

亚利桑那大学的研究人员正与工业合作伙伴合作，努力扩大关键技术的规模，并将聚变电力输送到电网。研究人员还认为，GNR传感器可以为太空系统（包括通信卫星、对地观测卫星和深空探测器）提供健康状态数据，在故障发生前识别与辐射相关的早期磨损迹象，对维护关键太空基础设施的可靠性至关重要。

Mutlu及其合作者计划在不同辐射剂量下测试相同的器件，并探索不同尺寸的GNRs。Mutlu认为，研究中使用的合成方法将使研究人员能够以原子和分子级别设计材料，通过定制新型纳米带实现不同的敏感度。这种控制水平对于在持续辐射暴露下长时间运行的未来太空系统至关重要，既可以支持耐辐射的半导体芯片，也可以支持随时间跟踪系统性能的传感器。