宇宙でも壊れない半導体？―2次元材料が切り拓く新時代の宇宙エレクトロニクス

導入

人工衛星や探査機など、宇宙で動く機器には極めて過酷な環境が待っています。
強烈な放射線、極端な温度変化、無重力――こうした条件に耐える電子デバイスの開発は、宇宙技術の大きな課題の一つです。

そんな中、中国・清華大学を中心とする研究チームが行った最新研究では、2次元半導体材料（2D材料）が宇宙環境下でも優れた安定性を示すことが明らかになりました。
本成果は2025年2月、権威ある科学誌 National Science Review に掲載されました。

ポーラロンが支配するMoSe₂/WSe₂ヘテロ構造の励起子発光メカニズム

従来のシリコン（Si）トランジスタは、微細化の限界に近づいています。短チャネル効果（電流漏れ）やキャリア散乱（電子の移動の妨げ）によって、さらなる高性能化が難しくなっているのです。

一方、**2D遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDCs）**と呼ばれる材料群（例：WSe₂、MoSe₂、WS₂）は、

といった特徴を持ち、次世代半導体として注目されています。

研究チームは、CVD法（化学気相成長）で合成した単層WSe₂およびNb（ニオブ）ドープWSe₂の薄膜を用い、これらを実際に衛星に搭載して宇宙空間に送り出しました。

搭載先は2024年9月に打ち上げられた中国の再使用型実験衛星「実践19号（Shijian-19）」。
14日間の軌道飛行ののち、衛星は地球に帰還。宇宙にさらされたサンプルを分析しました。

研究チームは、宇宙前後での**光学特性（ラマン・PLスペクトル）および電気特性（FETの伝達特性）**を比較し、放射線・温度変動・真空といった影響を定量的に評価しました。

光学特性の変化はほぼゼロ。
Ramanピーク（格子振動の指標）やPLスペクトル（発光特性）は、宇宙暴露前後でほとんど変化が見られませんでした。
→ 結晶構造・発光特性が保たれていることを意味します。
電気特性も安定。
WSe₂デバイスではオン電流が約10倍減少しましたが、依然として**良好なスイッチング特性（オン/オフ比10⁶）**を維持。
NbドープWSe₂では、性能低下はほぼ見られませんでした。
SiO₂絶縁層のみ劣化傾向。
放射線による欠陥生成でリーク電流（電流漏れ）が増加しましたが、2D材料自体は安定していました。

これらの結果から、2D半導体材料は宇宙の厳しい環境でも構造・機能を維持できることが初めて実証されました。

本研究は、宇宙空間での材料信頼性試験を「実際の軌道環境」で行った世界初の例として注目されています。
従来の研究は、放射線照射や低温真空などを地上で模擬的に行うものでした。

今回の成果により、2D材料は次のような応用に道を開きます：

さらに、研究チームは「地球上の極限環境（高温・高放射線）技術への応用」も視野に入れています。
たとえば、原子炉や高高度ドローンなどでもこの技術が役立つ可能性があります。

この研究は「2D材料が宇宙に行った」だけでなく、帰ってきた後も壊れなかったという点で画期的です。
材料科学者としても、この実験の実行力と技術精度には驚かされます。

今後は、MoS₂やグラフェンなど他の2D材料でも同様の宇宙試験が進むでしょう。
また、人工衛星内部だけでなく、外部構造材やセンサー表面に直接利用する応用も考えられます。

「宇宙で壊れない電子材料」が現実になれば、
私たちの科学探査は、さらに遠く、長く、そして自由になるはずです。

Yu, L., Sun, S., Jia, Y., Kang, F., & Lv, R. (2025). Space environment adaptability of 2D semiconductor materials. National Science Review, 12, nwaf064.
DOI: 10.1093/nsr/nwaf064
清華大学材料科学与工程学院プレスリリース
Shijian-19 衛星プロジェクト（中国科学院宇宙技術研究院）

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