复旦大学周鹏团队2025年9月2日发表的一篇Nature Electronics论文：Integrated two-dimensional microwave transmitters fabricated on the wafer scale 晶圆级制备的集成二维微波发射器。
背景介绍：
硅基微波器件由于掺杂梯度和界面缺陷导致电磁波传输损耗严重，需要大功率放大器和移相器补偿，系统功耗居高不下，二维材料具有原子级平整表面和范德华界面特性，为构建超低损耗微波器件提供了新途径。
一句话解释文章：
利用单层MoS2的原子级界面特性，在4英寸晶圆上制备出功耗仅3.2微瓦的16单元相控阵微波发射器，同时具备通信和雷达功能。
图1：理论基础与整体设计
图1a揭示了核心创新机理：左侧展示二维MoS₂晶体管中电磁波传输的理想状态，原子级平整的MoS₂与蓝宝石基底形成完美的范德华界面，消除了传统硅器件中的梯度掺杂界面；右侧对比显示硅晶体管的粗糙界面和载流子散射问题。这种界面质量的本质差异直接决定了电磁波传输损耗的数量级差异。图1b将理论转化为实用系统：设计了16单元时间调制阵列，通过软件控制的开关时序实现波束成形，摆脱了传统相控阵对模拟移相器的依赖。图1c展示了4英寸晶圆上30个发射器阵列的实物，证明了工艺的可重现性和工业化潜力。
图2：器件设计与性能验证
图2a-c器件设计：9.8×10mm²面积内集成16个发射单元，每个单元包含巴伦（balun）、双MoS₂开关和天线。透射电镜图像显示器件厚度仅102nm，刷新了微波发射器的厚度纪录。图2g中17个MoS₂晶体管的转移特性曲线高度一致，开关比达10⁶，证明了晶圆级制备工艺的成熟度。图2h：显示了MoS₂微波开关在不同频率下的隔离度和传输系数性能曲线。隔离度曲线表明在关断状态下能有效阻断信号，而传输系数曲线显示其在15 GHz时损耗仅为0.51 dB。 图2i：将该微波开关的性能与传统工艺（如硅、GaN、GaAs）的开关进行了对比，突出在开关比和有源区厚度方面的优势 。
图3：通信性能的全方位验证
图3a 展示了五个不同发射器在12-18 GHz频段内的输出功率测量结果，证实了其带宽超过6 GHz。 图3b 证明了输出功率与输入功率之间良好的线性关系，说明该发射器在一定输入范围内不会产生增益压缩，具有良好的线性度。 图3c和图3d 演示了使用5 MHz正弦波进行调幅（AM）的实验，频谱图清晰显示了载波两侧的边带，证明了调幅功能的成功实现。 图3e和图3f 演示了调频（FM）功能，通过方波信号控制，实现了输出信号频率在14.903 GHz和14.945 GHz之间的切换，即频移键控（FSK）。 图3g 对比了该发射器和传统技术（CMOS、GaAs）的每通道功耗，突出了其平均每通道0.2 µW的超低功耗优势，比之前的报道低10倍以上。 图3h 显示了长达12个月的稳定性测试结果，发射器输出功率变化小于0.06 dBm，证明了其在长期应用中的可靠性。 图3i 展示了传输“Hello, world! This is a 2D transmitter.”文本信息的实验波形，通过不同的频率点代表二进制的0和1，证明了其数据传输能力。
图4：系统集成与实际应用
图4a 描绘了雷达探测系统的演示结构，包括如何通过FPGA控制发射器发射信号，并通过接收天线和频谱分析仪来处理反射信号。 图4b 对比了天线阵列在−35°到 35°扫描角度范围内的模拟和测量结果，两者高度吻合。 图4c 展示了通过分析雷达反射信号数据，成功获取两个物体的距离和速度信息。图中清晰的两个峰值分别代表两个不同距离的物体，证明了雷达功能的精准性。 图4d 展示了将微型化的发射器集成到昆虫模型中的实际应用场景。 图4e 演示了通过频率分布显示“SOS”图像信息的实验，进一步展示了该系统在图像传输上的潜力。 图4f 左图对比了该2D发射器和传统CMOS发射器的最大传输距离，前者可达136米。右图则展示了其在1000 mAh电池供电下长达26天的超长待机时间。 图4g 将该系统与已报道的其他微波应用进行了多功能性基准对比，强调其“生物功能”和“晶圆级2D材料”的独特优势。
应用：结构的核心是MoS2作为开关使用。
1. 信号发射系统
射频源产生15GHz信号；功分器将信号分成16份（每份功率1/16）；16条蓝宝石传输线同时传输信号；16个MoS2开关根据时序控制开启/关闭，其中开启的通道：信号到达天线并发射到空中，关闭的通道：信号被阻断，天线无信号。
蓝宝石是信号传播介质，材料特性保证低损耗传输。MoS₂是可控开关层，决定信号是否通过。
2. 智能波束控制
向右发射:
开关序列 = [1,0,0,0,0...] → [0,1,0,0,0...] → [0,0,1,0,0...] ...
向左发射:
开关序列 = [...0,0,0,1] → [...0,0,1,0] →...→ [1,0,0,0]
16个天线在不同时刻发射，电磁波在空中叠加，形成定向波束。
3. 信号接收系统
论文中的接收完全是外部设备。前面两步发射微波到空中，目标物体反射微波，喇叭天线 + 频谱分析仪作为接收端。