二維材料——后摩爾時代技術(shù)創(chuàng)新的潛力股

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025 年第17 期 《 二維材料引領(lǐng)后摩爾時代 》

二維材料因其優(yōu)異的物理化學(xué)特性，在“后摩爾時代”成為集成電路、可穿戴技術(shù)、醫(yī)療監(jiān)測等領(lǐng)域的潛力股，變成當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點。本文介紹了后摩爾時代面臨的瓶頸和挑戰(zhàn)，以及二維材料的發(fā)展歷程、制備方法以及超薄性、帶隙可調(diào)和超高的遷移率，分析了二維材料的應(yīng)用前景。通過對二維材料在實際應(yīng)用中面臨問題的探討，提出了彌補不足的技術(shù)手段以及發(fā)展二維材料的方向路徑。

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后摩爾時代的降臨

摩爾定律由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登?摩爾于1965年提出，核心是“集成電路上的晶體管數(shù)量每18~24個月翻倍，性能提升約50%，成本降低1/2”。摩爾時代集成電路一直以硅基半導(dǎo)體為核心，依賴于晶體管尺寸的持續(xù)微縮（從微米級到納米級）來提升性能。

摩爾定律的“指數(shù)級增長”逐漸放緩甚至停滯，傳統(tǒng)摩爾定律趨近失效。傳統(tǒng)硅基技術(shù)的物理極限和新興應(yīng)用需求的爆發(fā)式增長之間的矛盾使集成電路進(jìn)入一條新的發(fā)展路徑，這是一條放棄以單純依賴“縮小晶體管尺寸”來發(fā)展的道路，而轉(zhuǎn)向材料、器件、集成以及系統(tǒng)等多維度的創(chuàng)新路線提高集成電路的性能，這一階段被稱為“后摩爾時代”。

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二維材料能否成為后摩爾

時代的天之驕子在后摩爾時代，科研人員針對硅基技術(shù)在微縮過程中面臨的物理極限（如量子隧穿、短溝道效應(yīng)、集成度天花板等）來篩選新的材料，可以實現(xiàn)集成電路性能的進(jìn)一步提升。很快，科學(xué)家通過量子力學(xué)計算和材料基因組計劃系統(tǒng)的篩選，將目光聚集到了潛力股二維材料身上。二維材料是在三維空間中僅具有2個維度（長度和寬度）且可自由運動、厚度僅為單個或少數(shù)幾個原子層的納米級材料。

為什么二維材料成為后摩爾時代最有潛力的天選之子呢？

首先，在三維材料中，載流子的運動多多少少會受到一定的限制，而理論上二維材料得天獨厚的“二維”性質(zhì)天然地滿足量子限域的條件，它的能帶結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)層數(shù)、晶向、缺陷等參數(shù)來調(diào)控。

然后，不同于硅基材料表面存在大量懸掛鍵容易與環(huán)境反應(yīng)形成缺陷導(dǎo)致器件性能退化的情況，二維材料的表面平整無懸掛鍵，這樣的特質(zhì)可以避免因懸掛鍵導(dǎo)致的氧化反應(yīng)，從而顯著降低載流子散射。

最后，二維材料制造的溝道厚度僅有幾個原子層，柵極與溝道之間的勢壘寬度將大幅壓縮，通過高介電常數(shù)柵介質(zhì)可提升勢壘高度，而勢壘寬度和高度可以影響量子隧穿的穿透概率，使用二維材料理論上可以將隧穿電流降低，達(dá)到硅基器件的千分之一以下。如圖1所示，二維材料可以突破傳統(tǒng)晶體管溝道和物理柵長的極限。

圖1 晶體管從納米到亞納米級別發(fā)展歷程

材料的制備決定了是否能獲得高性能的二維材料，目前可以通過機械剝離、化學(xué)氣相沉積（CVD）生長和液相剝離來制備原子級平整的二維材料樣品。經(jīng)過10余年發(fā)展，二維材料家族早已從最開始的石墨烯，拓展到二維金屬、二維半導(dǎo)體、二維絕緣體、二維超導(dǎo)體等多元化的體系，見表1。

二維材料的材料特性以及在材料基礎(chǔ)上的新架構(gòu)使芯片設(shè)計從單一功能優(yōu)化向系統(tǒng)級協(xié)同創(chuàng)新邁進(jìn)，使得二維材料在后摩爾時代算力增長道路上具有革命性的意義。

表1 常見二維材料、性質(zhì)及應(yīng)用方向

03

典型二維材料的性能對比與技術(shù)可行性

典型二維材料的性能對比見表2。石墨烯、MoS2和黑磷這三者在性能指標(biāo)與應(yīng)用場景上各有長處：石墨烯更側(cè)重于高速低噪聲模擬與射頻應(yīng)用，MoS2強調(diào)高開關(guān)比與光電響應(yīng)，黑磷則憑借帶隙可調(diào)與各向異性契合特定探測與模擬需求。未來的研究應(yīng)該聚焦于帶隙工程、界面與接觸優(yōu)化、大尺度均勻生長及封裝策略，在兼顧遷移率、功耗與環(huán)境穩(wěn)定性的情況下，加速二維材料在可穿戴電子、物聯(lián)網(wǎng)與高性能計算等領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用。

表2 典型二維材料的性能對比

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二維材料是否有實力取代現(xiàn)有材料

二維材料之所以被視為突破硅基物理極限的關(guān)鍵新材料，核心在于其原子級厚度的本征特性與量子效應(yīng)主導(dǎo)的功能調(diào)控能力，能夠針對性地解決硅基技術(shù)在微縮、功耗、集成和功能擴展等方面的瓶頸。作為“后摩爾時代”的核心新材料，二維材料的使用潛力是無限的，但美好希望到來的同時，二維材料在取代硅基的道路上仍然有一些關(guān)鍵障礙。

硅基材料的規(guī)模化制備非常成熟，而二維材料大面積、高質(zhì)量生長卻仍然困難重重。使用機械剝離產(chǎn)量極低，只能停留于實驗室使用，無法滿足工業(yè)化。這樣的特性使得刻蝕、摻雜、金屬化的工藝無法與傳統(tǒng)硅基工藝兼容。雖然二維材料理論上的預(yù)測性能特別好，但是在實際運用中，需克服各種環(huán)境的限制才能發(fā)揮出最大的性能，二維材料在高功率場景下的多場耦合效應(yīng)尚不明確，器件無法驗證有效的可靠性。所以關(guān)于二維材料能否取代現(xiàn)有材料，還要打一個大大的問號，以目前的技術(shù)水平，還有一段長長的路要走。

05

二維材料的不足是否可以彌補

二維材料憑借其獨特的物理性質(zhì)在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的潛力，而在實際應(yīng)用中這些材料在性能優(yōu)化、穩(wěn)定性以及適應(yīng)性方面還展現(xiàn)出一些不足之處。隨著原子級制造技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)調(diào)控方法以及異構(gòu)計算架構(gòu)持續(xù)取得進(jìn)展，科學(xué)家們通過不斷的創(chuàng)新技術(shù)，努力地彌補這些不足，推動二維材料得到廣泛應(yīng)用。

材料制備過程中，通過新型的原子級催化劑來調(diào)控二維材料的成核和生長，如使用Ru單原子修飾銅基底，降低缺陷密度。在CVD生長過程中引入H2S、NH3等氣體調(diào)節(jié)生長環(huán)境，可以實現(xiàn)對層數(shù)的精準(zhǔn)控制。對于制造黑磷過程中高溫造成的影響，則嘗試?yán)玫腿埸c熔鹽作為溶劑，降低生長溫度，從而抑制缺陷的生成。

在晶圓級集成方面，卷對卷（R2R）轉(zhuǎn)移技術(shù)通過柔性基底連續(xù)轉(zhuǎn)移二維材料，提升二維材料轉(zhuǎn)移質(zhì)量。電子束光刻（EBL）代替?zhèn)鹘y(tǒng)光刻，可以實現(xiàn)二維材料的納米級圖案化；原子層刻蝕（ALE）代替?zhèn)鹘y(tǒng)刻蝕，來實現(xiàn)對二維材料的原子級精度刻蝕，提高刻蝕成功率；分子層沉積（MLD）的辦法降低二維材料對環(huán)境的敏感性。

對于穩(wěn)定二維材料的電學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性來說，使用等離子體氫化（H2等離子體處理）飽和二維材料的懸掛鍵的氫鈍化技術(shù)，可以穩(wěn)定二維材料的遷移穩(wěn)定率，在二維器件下方集成高導(dǎo)熱材料（如金剛石、h?BN），可以將界面熱阻降至接近硅基水平，將器件結(jié)溫控制在安全范圍，解決制備過程中的熱管理問題。

從石墨烯的發(fā)現(xiàn)（2004年）到如今數(shù)百種二維材料的涌現(xiàn)，它們已成為后摩爾時代突破硅基物理極限、推動電子信息、能源存儲、光電傳感等領(lǐng)域革新的核心候選材料。盡管目前二維材料的規(guī)模化制備和工藝集成仍需優(yōu)化，但其作為“后摩爾時代”核心新材料的地位已不可動搖，潛力無限，未來將推動集成電路從“硅基主導(dǎo)”向“二維材料主導(dǎo)”的范式轉(zhuǎn)變。

06

二維材料在后摩爾時代的發(fā)展路徑

后摩爾時代集成電路的發(fā)展將不再靠盲目擴大集成晶體管的規(guī)模，而是多維度地結(jié)合新材料、新結(jié)構(gòu)、新集成等優(yōu)化電路設(shè)計以及系統(tǒng)算法來解決集成電路功耗和效率問題。所以二維材料與硅基材料的關(guān)系并非“取代”，而是互補。未來的發(fā)展方向應(yīng)該會通過“異質(zhì)集成”技術(shù)，將二維材料的優(yōu)勢與硅基的成熟工藝結(jié)合，形成“1+1>2”的協(xié)同效應(yīng)。

未來的二維材料難以直接替代硅基材料，而是作為“功能層”嵌入硅基芯片，先來解決目前硅基芯片的一些功能限制問題，補充硅基芯片中缺失的特性。針對AI推理、柔性顯示、紅外探測等特定場景，設(shè)計“二維?硅基混合芯片”，讓它們各自發(fā)揮自己的優(yōu)勢。在制備二維材料的過程中，推動二維材料的“硅基化”改造，調(diào)控二維材料的界面特性，使它更易與硅基工藝兼容。

二維材料在超高頻、柔性電子、寬光譜探測、低功耗存算等場景中展現(xiàn)出硅基無法替代的優(yōu)勢，短期的未來，硅基材料將仍然主導(dǎo)主流芯片市場，而長期來看，二維材料將通過“異質(zhì)集成”與硅基形成互補，共同推動電子信息技術(shù)的革新。二維材料不會完全取代硅基，但會成為后摩爾時代技術(shù)創(chuàng)新的核心驅(qū)動力之一。

本文作者：馬佳玉，孫仲恒，趙禹涵，趙虎，郭浩，田禾

作者簡介：馬佳玉，清華大學(xué)集成電路學(xué)院、中北大學(xué)半導(dǎo)體與物理學(xué)院，碩士生，研究方向為二維材料柔性傳感；郭浩（共同通信作者），中北大學(xué)半導(dǎo)體與物理學(xué)院，教授，研究方向為微納光量子傳感與精密測量、微納器件集成及應(yīng)用；田禾（通信作者），清華大學(xué)集成電路學(xué)院，副教授，研究方向為基于二維材料（石墨烯、二硫化鉬、黑磷等）的新型微納電子器件等。

文章來 源 ： 馬佳玉, 孫仲恒, 趙禹涵, 等. 二維材料引領(lǐng)后摩爾時代[J]. 科技導(dǎo)報, 2025, 43(17): 16?21.

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