在核能控制、深空探测等高辐射极端环境下，强烈的辐射会严重威胁传统硅基电子器件的稳定性和寿命。尽管现有技术可以通过复杂的抗辐射加固手段来部分缓解问题，但往往付出高昂成本、性能牺牲和设计难度，依然难以彻底突破长期可靠运行的“天花板”。近日，南京大学余林蔚教授研究团队联合北京航空航天大学薛兆国副教授团队以及苏州大学王殳凹教授团队在国际权威期刊《Small》上发表了题为《Reconfigurable Submicron Electromechanical Switch with Volatile/Non‐Volatile Conversion for Radiation‐Hardened Electronics》的研究论文，基于自主创新的面内固-液-固(IPSLS)纳米线生长技术，实现了纳米线形貌的定制化制造，成功研制出一种可在同一器件中实现易失性/非易失性转换的可重构亚微米级机电开关（VCSES）。这一成果在保证抗辐射性能的同时，打破了逻辑计算与数据存储必须分离设计的传统范式，有望为极端环境下的电子系统提供全新的“存-算一体化”解决方案。
挑战与需求：极端环境电子系统的逻辑-存储融合瓶颈
在以往的微纳机电系统（MEM/NEM）研究中，虽然器件具备优异的抗辐射特性、近乎零漏电流和断续式开关行为等优势，但逻辑与存储功能需依赖不同结构设计的器件分开实现。逻辑计算通常采用易失性开关，其状态随激励撤除而恢复，而非易失性存储则需保持接触状态不变。这种“功能对立”的力学设计要求极大限制了系统的集成度与灵活性，阻碍了微纳机电开关在航天、核工业等应用领域的进一步拓展。
键突破：基于洛伦兹力驱动的可重构开关器件
为解决上述难题，研究团队创新性地引入双向洛伦兹力驱动机制，研制出一款基于金属涂层硅纳米线悬臂结构的亚微米级可重构开关器件（VCSES）。该器件通过控制开关电流大小，在固定磁场下实现在逻辑（易失）模式与存储（非易失）模式之间的自适应切换。更具创新性的是，器件在进入非易失状态后，还能通过反向电流实现可靠“复位”，无需额外辅助电极或结构，大幅简化了系统设计复杂度。
在材料工艺上，基于IPSLS策略生长的硅纳米线，该开关器件采用多层金属纳米包覆结构，银层用于导电，金层用于增强辐射屏蔽能力，钨层则构成接触界面，兼顾力学强度与电接触稳定性。器件具有极低的工作电压（<0.5 V）和陡峭的亚阈值特性（<5 mV/dec），可满足低功耗、快速响应的计算与存储需求。
前景展望：迈向一体化、耐辐射、高集成的新型电子系统
通过严格实验验证，该器件在承受高达10 Mrad Co-60 γ射线辐照后，依然保持电学性能稳定、无明显退化。值得一提的是，这一辐射剂量相当于器件在外太空环境下连续暴露25年，是目前公开文献报道的最高水平，其辐射容限比传统硅基电子器件提升了一个数量级。在与多种已报道的抗辐射器件（如SOI FET、FinFET、GAA FET、碳纳米管FET等）对比中，该器件在远高于以往剂量的辐照下，阈值电压漂移仅约20 mV，展现出极为卓越的稳定性和可靠性。
这一突破归功于创新的微纳机电架构，力学设计与电学操作深度融合，并通过纳米金属层提供额外屏蔽，使器件具备出色的抗辐射能力。同时，这也是首次在单一微纳机电器件中实现了逻辑/存储双模态可重构操作，打破了传统“计算与存储分离”的设计范式，为极端环境下的信息处理系统带来了“存算一体”的全新可能，也为未来高集成、耐辐射电子系统的发展提供了坚实基础。
未来，该技术有望广泛应用于包括空间探测器、核反应堆控制系统、高安全等级嵌入式平台等在内的多个关键领域。研究团队表示，下一阶段将聚焦于器件的可靠性优化、阵列化集成及系统级验证，加速其从原型向实用产品的过渡，推动耐辐射电子技术迈向新高度。
该工作近期以“Reconfigurable Submicron Electromechanical Switch with Volatile/Non‐Volatile Conversion for Radiation‐Hardened Electronics”为题发表在《Small》期刊上。文章第一作者为南京大学电子科学与工程学院李典伦博士，余林蔚教授和薛兆国副教授为文章共同通讯作者。该工作的开展得到了苏州大学王殳凹教授、北航孟宪红教授、南大王军转教授的支持和指导，受到国家自然科学基金国家杰出青年科学基金项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目等的资助。
论文信息：
Reconfigurable Submicron Electromechanical Switch with Volatile/Non‐Volatile Conversion for Radiation‐Hardened Electronics
Dianlun Li, Junchang Chen, Junchang Yang, Shiqian Hu, Lei Wu, Wei Liao, Xianhong Meng, Junzhuan Wang, Shuao Wang, Zhaoguo Xue*, Linwei Yu*
论文连接：https://doi.org/10.1002/smll.202503172
前期相关工作：
1. Step-Necking Growth of Silicon Nanowire Channels for High Performance Field Effect Transistors. Wu Lei, Hu Zhiyan, Liang Lei, Hu Ruijin*, Wang Junzhuan*, and Yu Linwei*. Nature Communications, 2025, 16(1): 965.
2. Ultracompact Single-Nanowire-Morphed Grippers Driven by Vectorial Lorentz Forces for Dexterous Robotic Manipulations. Yan Jiang, Zhang Ying, Liu Zongguang*, Wang Junzhuan, Xu Jun, Yu Linwei*. Nature Communications 2023, 14: 3786.
3. Lorentz Force-Actuated Bidirectional Nanoelectromechanical Switch with an Ultralow Operation Voltage. Li Dianlun, Yan Jiang, Zhang Ying, Wang Junzhuan*, Yu Linwei*. Nano Letters 2024, 24(37): 11403-11410.
4. Planar Growth, Integration, and Applications of Semiconducting Nanowires. Sun Ying, Dong Taige, Yu Linwei*, Xu Jun*, Chen Kunji. Advanced Materials, 2020, 32: 1903945.
5. High-Performance Edge-Line Contact Memristors with In-Plane Solid–Liquid–Solid Grown Silicon Nanowires for Probabilistic Neuromorphic Computing. Yan Lei, Zhang Yifei, Hu Zhiyan, Liu Zongguang, Wang Junzhuan, Yu Linwei*.ACS Nano, 2025, 19(11): 11001-11011.
6. Scalable Integration of High Sensitivity Strain Sensors Based on Silicon Nanowire Spring Array Directly Grown on Flexible Polyimide Films. Song Xiaopan, Gu Yang, Wang Sheng, Fan Junyu, An Junyang, Yan Lei, Sun Bin, Wang Junzhuan, Yu Linwei*. Nano Letters, 2025, 25(6): 2290-2297.