二维半导体材料的研究前景？
为什么二维半导体这么特别？
首先，我们要明白“二维”的含义。简单来说，就是材料的厚度只有一个原子层或者几个原子层。这种极致的薄化带来了很多神奇的性质。你可以想象一下，当材料变得如此之薄时，电子的行为会发生根本性的变化。量子力学效应会变得非常显著，材料的电子结构、光学特性、机械性能都会与块状材料大相径庭。
举个最经典的例子——石墨烯。它就是由单层碳原子组成的蜂窝状晶格。石墨烯的载流子迁移率是当时已知半导体材料的数倍，电导率极高，而且非常坚固、轻便。虽然石墨烯本身是零带隙的，更偏向于导体，但它开启了整个二维材料研究的大门。
研究前景在哪里？深度剖析
1. 下一代电子器件的基石：
超越硅的性能极限： 现在的硅基半导体技术已经逼近了物理极限，晶体管尺寸越来越小，漏电流、功耗问题也越来越突出。二维半导体，尤其是具有合适能带隙的（比如过渡金属二硫化物，TMDs，像MoS2、WSe2等），在保持高迁移率的同时，能够实现出色的开关比和较低的漏电流。这意味着更小巧、更快、更省电的晶体管，能够驱动更强大的计算能力。
三维集成与垂直结构： 二维材料的原子级厚度使得它们非常适合构建垂直堆叠的器件。你可以想象一下，将不同的二维材料层层叠叠地堆起来，形成三维的电子通路，这能极大地提高芯片的集成密度和运算效率，实现真正的“三维芯片”。
新型晶体管架构： 除了传统的场效应晶体管（FET），二维材料还能催生出更多创新的器件设计，比如基于量子隧穿效应的隧道场效应晶体管（TFET），以及忆阻器、逻辑门等，这些都有潜力实现超越传统CMOS的性能。
2. 光电子领域的革命：
高效光探测器和发光器件： 许多二维半导体材料与光有极强的相互作用。它们可以高效地吸收或发射光子，并且能够很好地调控其光学带隙。例如，一些TMDs在可见光和近红外区域具有很高的量子效率，可以用来制造高性能的光探测器、图像传感器。同时，将它们与某些具有电学特性的二维材料（如石墨烯）结合，可以制作出高效的发光二极管（LED）和激光器。
光通信和光计算： 二维材料的超快光响应特性，加上其可调谐的光学性质，使其在光通信领域，例如高带宽调制器、光开关等方面拥有巨大的潜力。更进一步，它们也是发展光子集成电路和量子计算中光子信息处理的关键材料。
柔性电子与可穿戴设备： 二维材料的柔韧性是其一大优势。将它们集成到柔性基底上，可以制造出可弯曲、可拉伸的电子器件，这为可穿戴设备、柔性显示器、健康监测传感器等领域打开了新的可能性。
3. 能源领域的创新应用：
高效太阳能电池： 二维半导体的带隙可调性以及其良好的载流子分离和传输能力，使其成为开发下一代高效、低成本太阳能电池的理想材料。它们可以构建异质结太阳能电池，提高光电转换效率，并且其柔韧性也使得在建筑一体化光伏等领域有应用空间。
催化与储能： 一些二维材料具有丰富的表面活性和独特的电子结构，使其在电催化（如析氢反应、析氧反应）和电化学储能（如超级电容器、电池电极材料）方面表现出色。例如，改性后的TMDs和MXenes（MXenes是一类具有金属夹层结构的二维过渡金属碳化物或氮化物）在这些领域展现出了令人惊叹的潜力。
4. 其他前沿领域：
传感器技术： 二维半导体的表面原子对其周围环境变化非常敏感。这意味着它们可以用来制造高灵敏度、高选择性的化学传感器、生物传感器等，用于环境监测、医疗诊断等领域。
自旋电子学： 某些二维半导体材料具有特殊的自旋轨道耦合效应，可以实现对电子自旋的有效控制和读写，这为开发新型的自旋电子器件，如非易失性存储器和量子比特提供了新的途径。
量子信息技术： 二维材料中可能存在的激子（电子和空穴的束缚态）和单光子源，对于构建量子通信和量子计算的底层技术至关重要。
面临的挑战与未来方向
当然，任何前沿技术都伴随着挑战。二维半导体材料的研究和产业化也面临着一些难关：
高质量、大面积制备的挑战： 目前，虽然化学气相沉积（CVD）等技术已经能实现一定面积的二维材料制备，但要实现工业化量产的高质量、均一性材料，仍然需要突破。
异质结的精确构建与集成： 将不同二维材料完美地堆叠在一起，形成高质量的异质结，并进行可靠的电学和化学连接，是实现复杂器件功能的核心，这涉及到界面工程、接触电阻等一系列技术问题。
器件稳定性与可靠性： 二维材料的原子级薄度也意味着它们更容易受到环境因素（如空气、湿气）的影响，如何提高器件的稳定性和长期可靠性是关键。
理论计算与实验验证的协同： 许多二维材料的奇特性质尚待深入理解，需要理论计算的指导来预测和设计新材料，并通过精密的实验来验证，这种协同工作是推动该领域发展的动力。
总结来说， 二维半导体材料的研究前景极其广阔，它不仅仅是现有技术的升级换代，更是开启全新技术范式的基础。从根本上改变我们制造电子器件、利用光能、处理信息的方式，到催生全新的应用场景，它都拥有巨大的潜力。虽然还有许多技术难题需要攻克，但可以预见的是，在不久的将来，二维半导体材料必将深刻地影响我们生活的方方面面，成为信息时代和绿色能源时代不可或缺的基石。这是一个充满机遇和挑战的领域，对基础科学和工程技术都有着极高的要求，也正因如此，它才如此引人入胜。
网友意见
简单梳理，近1年间与Intel某实验室同伴共同调研的二维碳基材料方向。硅基/非硅基异质集成会是未来很长一段时间延续摩尔定律的路线。
业内众所周知的，未来的芯片设计和制造除了面临制程微缩导致的良率、功耗、成本、集成度的挑战，再者就是硅验证的突破，目前已知芯片都是通过silicon proof保证硅材料物理实现的正确性，但在非硅基材料下，design rules将会大改；随之而来的PDK和EDA工具的研发大改也会到来，以及更为宏大的Fab装备和辅材的产业链技改升级，这期间从研究到产业化的进程会是10年+起步的...…
流行的2D半导体材料是围绕碳基成果展开的，碳纳米管/石墨烯等碳基材料都是探索2D电子材料的基础介质，本身都是为了延续电子的摩尔定律，电子的受众基础更好（光子暂时并不适用于处理微观逻辑）。碳基二维材料可以比较长远的延续电子摩尔定律，比如很多Lab都证明过的数据：【倘若用碳纳米管做传导，其电子迁移率可达到硅晶体管的1000倍，且CNT管中的电子自由程极长，电子活动更自由就不容易摩擦发热，如此推导CNT晶体管的电子极限运动速度会是硅材晶体管的5~10倍，功耗只有硅材晶体管的1/10，制程工艺条件就会变得很宽松】，这些优越性就构成了2D材料进入纳米电子学的切入点。但仅仅是概念层面证明，想要量产化的取代硅基芯片还不可能，碳元素够活泼，介电常数低，制备技术和成本都是巨大障碍。
前段新闻【台湾大学+TSMC+MIT共同公布的利用半金属铋（Bi）作为二维材料的接触电极的成果】，应该是由不同二维材料原子层堆叠而成的VDW异质，这是一个新思路；提到的Bi元素，就是二维范德华<VDW>材料的参与成份/方案之一，这会是个disruptive方向；相比传统硅基，VDW异质结的构建不依赖于晶型和晶格常数的匹配，理论上只要简单的机械剥离+堆叠的办法，就能得到多种通过传统外延方法不能获得的结构，从中可以搭建/定义一些物理构型，比如典型的金属-绝缘体-半导体<MIS结>或是半导体-绝缘体-半导体<PN结>，甚至可以通过多加制备一层金属性CNT管而搭建出GAA环绕栅级构型的场效应管，即使做成比如2D-FET晶体管，也可以做到栅极长度缩放，从而相比Si基材就更有可能不受短沟道漏电流的效应影响，这些特点用于高微缩/高密度的逻辑器件上就更有实用意义。国内有团队在2D VDW基材产品化方面做得很好，推测初代产品化会在NOR Flash上大面积普及，而高密度的碳基逻辑运算电路实现会更加耗时，CNT晶体管虽说预测单个器件性能比硅基优10倍，但当这些器件大密度连接起来之后并不确定是否有这么显著的性能提升；以及仅在金属导线和栅极结构等材料工艺层面的技术就需要很多年定型，这还不算design rules/设计工具/生产装备和辅材的升级。如今，制约二维材料的掣肘自然是材料生长，无法大面积、低成本制备出高性能的2D材料，致使这项实验室技术难以指导量产方案和装备定型。
随着当下碳基2D半导体的接触电极方案的解决，将推动高性能低功耗存储器甚至逻辑处理器的发展，在未来1nm甚至更微缩的工艺中，把控性能与功耗、密度与成本的平衡是关键，碳硅融合同样是disruptive的方向。MIT已经做了尝试：【Y19年，MIT研究人员与芯片制造商ADI合作，制造出全球首个全功能、可编程的16位RISC-V架构碳基处理器。该处理器能够完整地执行整套指令集。它执行了“Hello, World！I am RV16XNano，made from CNTs. 程序。】－－ 虽然是实验室产物，但它却是一个规模很大的、各器件均一性加以提升的由14000+个CNT晶体管组成的工程化系统。
此外从国产替代角度看，发展二维碳基集成电路也是必要的，国内几大Lab也在加快研究任务，起因是过去30年我国饱受高端装备的进口限制，比如晶圆制备和光刻过程涉及的难以绕过的进口装备；而作为技术拐点之一的2D碳基材料，它的晶体管是使用碳纳米管，制备方法和装备没有来自硅基的传承，比如前面提到带有VDW异质结的CNT晶体管，它的IP还不健全，材料制备的量产方案还不存在，而碳基集成电路的制造更不会用到光刻机，不需要依赖传统的硅基芯片的制造装备，不需要硅基晶圆生产的抛光-光刻-蚀刻-离子注入等工艺过程；这会成为我国半导体行业弯道超车、摆脱封锁的机会。就像Intel和TSMC反复讲过的一样【后摩尔定律时代的颠覆性技术会从材料、器件、架构方面分别革新，这种在整个产业链级的研发-量产重启，会为我国IC产业带来更多的发展机会，二维原子晶体毫无疑问是后摩尔定律时代电子器件的流行载体】。
至于研究前景：综上，在架构革新上，如今Logic IC的密度、功耗和集成度需求都发生很大变化，更多的应用场景这意味着更多发展机会，比如存算一体/感算一体等；而不再是沿着先进制程节点追赶，一些应用科研项目也不再需要全球乱抄作业，电子电路的基础前进方向划定，实验数据接连证实，接下来就会看到厂商大力参与配合落实工程方案。
最后，二维材料的一大挑战，是如何实现二维材料的大规模生产或是高质量二维薄膜的晶圆级生长以用于实际应用。
REF - 1：附一篇最近1年发布的范德华异质结纳米管论文简介 ：Small Science-- 一维范德华异质结纳米管 、2D半导体可替代硅，延续摩尔定律，英特尔、台积电等解决硅基设备材料限制
REF - 2：附一篇通过2维材料实现2D-FET构型的晶体管栅极长度缩放从而避免了短沟道漏电流效应的介绍： 晶体管的未来，靠二维材料了？
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