目前纳米材料或者是二维材料的前景如何？

---------------------------18年10月18更新--------------------------------------

为什么把这个更新直接更开头，因为这是大事儿，真是大事儿，真是大事儿，大事儿，重要事情重复三遍。具体请自行看MIT大佬的paper。

那些整天“二维不可能”“二维是辣鸡”“二维只能做paper”的，这回估计真要被啪啪啪打脸了，真不愧是MIT， 不声不响就搞大事儿。

-----------------------------------------------------------------------------------

难得遇到有人问二维材料，相对国内很多黑国内二维材料骗经费（这是事实），屁用没有却因子超高（很多二维的paper确实屁用没用个，可是说这话的多数是红眼病），比如有位叫霍华德的，就是国内微电子研究反材料研究的急先锋，几乎所有与“微电子”“材料”这两个关键词相关的问题你都能看到这位勇士怼材料研究的身影，你比如这里：

为什么说「学微电子都怕掉进材料的坑」？ - 霍华德的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/274028946/answer/387041500

此乃真猛士也！

斯不敢与猛士比，可作为一个每周例会看着IMEC 2D组各位大神努力的小学生，还是希望站一波二维材料研究，起码不让大神们的努力白费和受到误解。

在上面那个问题中，我曾经尝试与这位猛士进行和平的讨论（当时没搜这位猛士的历史回答记录，不知道猛士之猛冲破天际），然而被先狠怼一下，尝试呼吁大家冷静下来认真讨论下共识和分歧问题，然后就被删评论了。。。所以这里其实基本上是把当初这位猛士删掉的评论重发一遍。

首先，国内微电子研究材料的一大帮骗经费，而且水论文的真的很多，特别二维材料和纳米材料这块的，这些都是事实，无法否认。然而也不应该以偏概全地就认定所有研究二维材料的研究就都是“骗经费，水论文”的，这对于那些不是冲着“骗经费，水论文”，实打实做研究的人来说非常不公平的。

“真正做器件的关心的是路线图 关注ITRS 是制程进展 是器件结构 是漏电 是阈值电压 是驱动电压 是能耗 是缺陷 是SPICE 明白自己做的东西要给设计端什么样的参数 明白工艺兼容与良率”这是那位猛士的原话。

可是当研究二维材料和纳米材料的人做出了器件，而且测试显示具有漏电，能耗等等方面优势的时候，猛士又说不像III-V材料有刚需，不能商业化，没产业基础，嗯，这个嘛。。。难道工业对更高on/off ratio，更快开关速度，更低能耗，更低漏电等等的device没刚需？这些方面很多2D device尤其是新结构与新材料结合的device可是都显示出了很大的提升啊。

这位猛士又说“在中国炒作石墨烯的时候，人家比利时欧洲微电子中心IMEC攻克了三五族材料和CMOS工艺异质集成的问题 随后英特尔台积电三星大举投入”然而事实上IMEC现在也在攻克二维材料的生长，transfer以及各种相关的工艺问题，一旦成功，有之前实验性二维材料器件展示的优秀performance作为动机，英特尔台积电三星同样也可能大举投入。这个跟当初scaling down，铝开始变得不好使，有人提出用铜呗，铜比铝好啊，可是铜不能etch啊，于是IBM攻克了这个问题，大家就都跟进了，是一个道理（关键词Copper Damascene Etching，看完你会对微电子“灵光一闪拯救世界”这一神奇现象理解更深）。而在二维材料和纳米材料面临的问题类似，就是，诶哟，这个东西好，device的performance good啊，可是做不出来啊，好吧，我们来研究研究这个工艺问题，看怎么才能出来好了嘛（我们也需要“灵光一闪拯救世界”，而且估计需要不少，因为我们几乎所有工艺步骤都还有问题。。）。。。。。

好了，黑狗卖完，正经回答问题。

一个众所周知的问题，5nm 之后微电子面临新的革新，要么想出比Finfet更优的器件结构，要么更换Si为其他材料，这个问题其实有一个专有名词，叫做：“beyond CMOS”，而后者要用什么取代Si？题主问到的纳米材料和二维材料就是目前“看起来最美”的option。

OK，美好愿景展望完，我们来具体看看现实。首先必须明确一点，“beyond CMOS”应该是必须的，但是到底是新结构，还是新材料，或者两者结合（你比如很多tunnelling FET其实就是结合两者），目前没定论。而现实就是，这么多年了，2D device几乎没有大的进展。。。

为什么？就是“骗经费”“水论文”的问题，是的，虽然认为那位猛士有点以偏概全，可是不得不承认，他以及很多怼材料研究的人所说很有其道理，我个人也很反感那种水得一塌糊涂的二维材料的论文，比如那种那块二维材料水煮火烧一下做个TEM甚至就个XPS，RBS，Raman，完全不管工业和device设计要什么就可以出篇paper的，excuse me？所以你发表的这个paper单纯只是为了Show一下这个treatment会导致这样的结果？可是这个Treatment目的何在？是为了什么需求的？恶搞的是，很多时候期刊也会认为，诶哟，这样的treatment以前没人试过，有独创性，出！……excuse me，为什么之前都没人尝试这样的Treatment？就是因为没用啊！再有独创性有什么用！这就是一种“水论文”的套路之一：毫无意义的“独创性”

所以其实这个问题确实很严重，这些年它们也确实一直制约着2D device的研究，因为容易发表高因子的paper，因为容易骗到经费，所以都很多人都做这些没卵用的所谓“二维研究”，结果真正有刚需的“二维研究”反而没人做，各种device的paper里这个device多好那个多牛，你倒是做出来工业化啊，结果做这方面工艺研究的少，而做工艺的又有很多混子实际是在拿已经很成熟的工艺炒旧饭，combination一下甚至连combination都没有，就是做个换个材料做个treatment，然后做个analysis，压根不是奔着解决工艺问题去的。多数人都去做容易出paper的，打个比方，你google学术搜一下2D materials transfer，看看有多少是真的在develop一个切实可用的transfer process的？所以嘛，就现在这样了，各种study一大堆，实操都怂了。不怪以开头那位反微电子新材料急先锋对我们各种冷嘲热讽，怼得不亦乐乎，我们自己确实不争气，做不出东西来，怪谁？

我的理解是这样，“beyond CMOS”的研究应该是这么个流程：

1. Device设计者根据工业需求进行“beyond CMOS”的器件设计，基于或不基于纳米材料或者二维材料。
2. 根据设计者的需求，针对性地研究每一步工艺步骤，比如怎么能生长出符合设计要求的材料，比如怎么做到达到设计者要求的transfer，等等。

所以何为“没卵用的所谓二维研究”，何为“有刚需的二维研究”区别就在于这里了，如果“水煮火烧”一下某个二维或者纳米材料，然后做个什么analysis，就出个paper，然而连Device设计者都不知道他这个“水煮火烧”到底是为了什么目的的，那就是“水”。反过来，Device设计者提出具体某个需求，表示要做这么一个device，需要达到什么参数，你给我想办法，然后你来针对性地“水煮火烧”一下，那这就是“刚需”。这个“刚需”关系链应该是这样的：业界早晚必然需要“beyond CMOS”--> 需求“beyond CMOS”device的设计，这一步可能需要新材料，也可能只是单纯的结构革新，或者两者结合，目前未知--> 需求工艺研究者 “水煮火烧”一下，develop一个满足需求的process。

从这个需求关系链也可以看出，如果设计者不顾工业需求，或者不管这东西工艺上可能不可能，只是为了骚一把他的设计，那这也叫“水”（这种也很多的，你比如有一篇CNT的paper就是用两种CNT，搭一个与非门，是的，搭出来了，可是简直毫无意义……），所以我们每周例会才会要求所有部门负责人都出席，这样负责与工业沟通的Manager会知道工业需要的是什么，设计人员可以告诉工艺人员，他们需要的到底是什么，而工艺的研究人员可以告诉设计人员，什么是有可能是办到的，什么是扯淡。

还拿前面提到的transfer来举一个确切的例子，你别去研究那些transfer会导致什么什么，我们现在需要的是到底怎么transfer，然而实际上现在的paper大部分是这样：transfer会导致什么什么，完了！完了？然后呢？没然后了！那到底该怎么transfer？不知道，不管，我只负责提出问题！我#……￥%&。。。没错，你可以说我指出来现在的transfer有什么问题有什么不对，发现问题了才能解决啊。说的没错，可您倒是解决啊！谁都知道现在的transfer不行，可都跑去“发现问题”了，本来就一大堆问题没解决，你发现再多问题也只是让“不行”变成“更加不行”而已，我们现在连稳定可靠的300mm transfer都做不好，你做一堆二维材料flake在transfer后会如何的研究，到底有何意义？咱先搞定300mm的transfer，起码能transfer，然后咱再研究有什么缺陷怎么改进行不？结果就是你出paper出爽了，大家继续卡在这儿做不出能商业化的东西来，所以你看，我们IMEC二维组里那位真正做transfer的大神，反而没发什么关于transfer的paper，人家憋着呢，可能一发就是一个能直接工业化的transfer process了（具体细节我不能说，被说泄密我就吃不了兜着走。。。）

概括性地说就是：“科研应该是高于工业但是基于工业”。换言之不该总用工业标准来要求科学研究，可是反过来科研也不应该忽略工业的需求，要基于实际的工业需求订立科研目标（基础科研例外，理论物理什么的，走得太远了，现代工业已经连边儿都够不到了。。。）那位霍华德反微电子新材料急先锋的问题就出在钻死在了前者的牛角尖里，而很多大学的问题在于忽视了后者，所以造成“水论文”“骗经费”的现象。

最后来辩证性回答题主问的“前景”，从上面题主应该看到了，我重复了很多次，“beyond CMOS”应该是必须的，但是到底是新结构，还是新材料，或者两者结合，目前没定论。所以从这个角度，这个“前景”是美好的，因为总有一天，“beyond CMOS”肯定会实装，但是这个“前景”也可能是非常“不美好”的，那就是如果你没有去关注工业的需求做设计，或者你没有根据设计者的需求去研究各种“水煮火烧”，那么等有一天“beyond CMOS”实装了，你发现你做过的都是一坑水，那这个“前景”自然就非常“不美好”了。

所以这个“前景美好不美好”，我觉得取决于个人，如果你是水一波就溜，那前景必然是不美好的，不管你发过多少多高因子的paper。但如果你赌对了，那么当一天“beyond CMOS”实装了，你的知识就是不可或缺的。一句话，其实就是，现在水的一时爽，将来喝水喝到饱。用我老板的话来说，如果有个东西公司里只有你能做，你还害怕没饭吃么？假如以后某个“beyond CMOS”approach实装了，而其中一个process是我develop出来的，嘿嘿嘿，YY一下。。。

而且就算“beyond CMOS”没那么快实装，我们总会慢慢一步步接近这个目标，那么随着一步步接近这个目标，到底哪些technique是有用的，哪些是扯淡也肯定会慢慢清晰。 所以做真正有需要的，发现势头不对赶紧撤，“前景美好不美好”就看你追不追得上，抓不抓得住了。

最后我为什么在最开始举例那位急先锋猛士，主要是为了提个醒，由于材料特别二维和纳米材料这一块水确实很多，所以很多做其他研究的人很看不惯（不排除部分人看到搞材料的轻轻松松水高因子红眼病）。不要觉得搞研究的人秉承科学思维就一定很理性客观，只要是人，就永远会有在过激情绪下被傲慢与偏见支配的，比如类似那位先锋猛士以及回答最开头那个链接的问题下面各种发了疯一样猛怼微电子材料尤其二维和纳米材料研究的回答，在这种失去理智的傲慢与偏见下，他们是不会管你是在“水”，还是在“实干”的，只要你是做纳米或二维材料相关研究的，你就肯定是在“水”。所以如果你选择入坑新材料工艺，要有这个承受这种傲慢与偏见的心理准备，因为在那个问题下各种回答中相信你也能看到，这个傲慢与偏见的群体是很庞大而且强大的，他们将给你带来的心理压力将比你想象中的大得多。同时要记住不忘初心，不要觉得别人都在“水”，而我明明没“水”，却还是要被连带一起骂，这么冤枉，那我干脆我也一起“水”好了。不要水，而是要真的“beyond CMOS”，未来属于我们~~~

---------------经过评论区的讨论，决定作出以下补充以免误导人-----------------

评论区的朋友提出二维材料是“good for paper, particularly useless”。首先明确，现阶段，这是事实。所以打算入坑的朋友一定要有这个心理准备。而“particularly useless”就是评论区那位朋友提到的uniformity，repeatibility等问题，但是这些问题其实并非二维材料或者纳米材料独有，而是beyond CMOS的共同问题，其实道理很简单，你可以简单想象一下，当你有好几十层原子，然后其中一些出了问题，而当你只有几层甚至只有一层原子，其中有一两个出了问题。所以评论区那位朋友提到的uniformity，repeatibility等问题，归根结底是scaling down遇到的问题，而不是纳米材料独有问题。而这些问题的出现的根本原因其实是当scaling down到极限的时候各工艺步骤在精度纯度等等方面没法达到要求了，从这个角度来说，其实不是纳米材料“good for paper, particularly useless”，而是几乎所有beyond CMOS的design全都是。

我尽量选能拿出来说的例子举例说明一下（很多很有代表性的例子是confidential不能拿来在这地方说的，所以我只能尽量挑能说的，不过你也可以相信，不是confidential的东西，那肯定不是最新的了。。。）。

先举一个没用到新型材料的例子，具体是谁提出的不记得了，好像是三星？这是一个新的用于Flash memory的晶体管（与普通晶体管区别在于多个floating gate，具体机理请自行百度google或者别的什么）的IDEA，我记得是published了的，所以应该可以拿出来说，但是我一时找不到当初那篇paper，如果有谁看完描述记起是哪来的麻烦ps我一下我把DOI补上。

这个IDEA的大概理念就是改用竖立式晶体管，先一层层铺D，S，G，然后把这厚厚一层无数的D，S，G，一次性全部Etch穿，形成一个很深很深的“井”，然后往“井”填上形成channel。这个IDEA是很吸引人的，因为不难想象，这要是成了，存储器容量会以几何级飙增，但是有个问题，做Etch的童鞋应该都反应过来了，这么深的“井”，你怎么Etch？你怎么控制这个profile？好吧，退一万步，我们做ETCH真的做出来这么个“井”，那么一个超级无敌深的“井”壁几乎是90°的一个“井”，你怎么往“井”壁deposit其他材料？这其实就是一个很典型的“good for paper, particularly useless”的例子，但是特别注意，这里“particularly useless”不是这个design本身，而是因为工艺没办法把这么个东西做出来，所以“useless”，然而不难想象，如果工艺问题能攻克，这个东西就是“more than useful”。

再举一个二维材料的例子。2D Device基本上都存在uniformity，repeatibility等问题，然而正如我前面说的，这不是二维材料本身的问题，而是随着scaling down工艺遇到的问题。最直接的证明就是，当我们增大实验性2D Device的尺寸，我们观察到非常明显的repeatibility的改善，当我们从monolayer的二维材料切换到multilayer的二维材料，也能观察到repeatibility的改善，更具体的实验以及实验参数和结果不能在这说，大概就是这么个意思，领会精神。简而言之，2D Device的uniformity，repeatibility等问题，并非因为二维材料本人，而是因为，一，生长出来的二维材料质量不如人意，这个道理很简单，就像随着scaling down，硅晶纯度要求越来越高，如果纯度不够，现在的device的repeatibility也不会达标，是一个道理。二，transfer过程产生的cross contamination，以及transfer本身对材料的破坏，以及大规模高质量transfer的高难度。三，刻蚀的难度，单层原子材料太脆弱，需要很高的selectivity，这其实是所有beyond CMOS的共同问题，因为不管是新型还是传统材料，厚度已经薄到这个地步了，多刻少刻一层原子带来的影响就非常大了（所以ALE，selective ALE来了）。四，contact的难度，由于纳米材料的特性，其金属接触也相应表现出很奇特的特性，而且并不是什么好消息，感兴趣的同学可以自己搜索下paper。

而这些又全部link到deposition和litho去。所以我前面说现在2D Device几乎所有工艺步骤都有毛病，当然以上四点应该不是全部，我只是把我印象比较深，比较了解的写出来，欢迎补充。

那么最后总结一下，新型材料也好，不用新型材料也好，现在beyond CMOS的问题在于工艺，而不在于材料或者设计，因为不考虑工艺的话，他们“很美好”，所以“good for paper”，然而考虑工艺的话，因为做不到，所以“particularly useless”。

所以如果入坑，建议别入具体材料的研究或者设计，去研究工艺。

最后来点现实的，关于毕业工作的问题，毕竟就像评论区的朋友说的“job market很惨烈，这些都不是一句话‘东西是需要有人去做的’就可以轻描淡写的过去的”。其实这个我原本不想说，毕竟我又没毕业，所以其实觉得我是没资格说这个的。不过既然问题是“前景如何”我想这个“前景”当然也包括就业，对吧。

那么就像我前面说的，还有在评论区说的，beyond CMOS这个东西是个“必须，但是完全不急”的东西，常识告诉我们，这种东西的正常状态应该就是，需要人去研究，但不会需要很多人，所以我说之前业界对二维材料，纳米材料的研究属于“不正常的狂热”。而作为“不正常的狂热”的结果，就是远超正常需求的二维phd、post phd，所以从这角度来说，就业前景并不乐观。

但这也要看你到底做的是什么，这也是我前面建议，去研究工艺，别研究具体材料或者设计的原因。因为你研究工艺，比如Etch，虽然你研究的是怎么在各种其他材料上Etch二维材料，或者在二维材料上Etch各种其他材料，但是你研究的对象本身是Etch，所以你找工作是不怕的，你连那么难Etch的二维材料都敢怼，而且怼过，你还怕其他Etch课题吗？我本人虽然没毕业，但是我上年实习阶段的mentor上年11月phd毕业，他工作就一点都不难找，甚至phd答辩前就已经好几个备选了。

而且就如前面所说的，beyond CMOS现在急需的就是各种工艺的研究，而不是继续死怼材料本身或者设计，所以个人认为，选择去研究工艺，无论是对这个领域的贡献还是从以后就业来说，都是最佳选择。这就是我原文最后说“不要水，而是要真的‘beyond CMOS’”的意思，我现在算是说穿了，就是不要再去凑材料本身和各种设计的热闹，来做工艺吧！