美国又有一个“0”突破？而且还在芯片上？摩尔定律也要作古了？

综述

芯片，作为当代科技的基石，承载着决定计算机、智能设备等各类电子产品性能的重任。随着芯片技术的不断发展，人类文明也随之迈向了新的高度。

过去半个多世纪以来，我们见证了芯片技术从真空管到晶体管，再到集成电路的飞跃，这一进程不断提升了芯片的容量和效率。

这一过程一直遵循着众所周知的摩尔定律。这个定律指出，大约每两年，芯片上搭载的晶体管数量就会翻一番。这条定律已经引导了芯片技术半个多世纪的不断进步。

然而，我们目前使用的芯片材料自身也是存在着极限的，因此摩尔定律的速度已经放缓，甚至可能会走向终结。这是否意味着芯片技术的发展将陷入停滞？作为全球芯片技术的领导者，美国将如何应对这一现状？

基于二硫化钼的原子级薄晶体管

二硫化钼（MoS2）具有层状结构和出色的物理化学性质，它以辉钼矿的形式存在于自然界中，是最常见的含钼元素矿石之一。二硫化钼晶体通常以粉末形式存在，不溶于水和稀酸，也不容易氧化。

因为二硫化钼具有低摩擦系数和高强度的特点，因此也经常和石墨一样被当成一种润滑剂用。而它的块状固体则是一种与硅相似的抗磁性间接带隙半导体，其能带间隙为1.23 eV。

近年来，随着对新型材料的需求越来越强，二硫化钼就因为它独特的性质受到了青睐。其单层或几层薄膜具有直接带隙，能在可见光和近红外光谱范围内发射和吸收光。

此外，二硫化钼的二维结构还使其具有高表面积和边缘密度的特性，有利于在催化和传感等方面的应用。其电子性质可通过掺杂、应变、电场和磁场等手段进行调控，展现出丰富的物理现象和器件功能。

基于二硫化钼的原子级薄晶体管是一种利用其二维和半导体特性制造的新型电子器件。它具有超薄、低功耗、高性能等优点，被视为未来集成电路的重要候选者。

然而，要实现基于二硫化钼的原子级薄晶体管的大规模应用，仍需解决一些关键的技术难题，如高质量的二硫化钼生产、与硅基平台的兼容性、器件的稳定性等问题。

原子级芯片技术对摩尔定律的颠覆

随着电子器件尺寸的不断缩小，摩尔定律也渐渐失效了。随着电子器件尺寸缩小到纳米甚至原子尺度，经典物理规律将不再适用，量子效应和热效应造成的性能影响会更明显，这都会导致器件性能下降并降低稳定性。

器件尺寸的进一步缩小也让制造难度大幅增加，需要更高的精度和更复杂的工艺才能加工出更强的芯片，但这又会进一步提升制造成本。当芯片的集成度和性能提升不再与投入的成本成正比，而是呈现出递减的趋势，就会导致芯片的经济效益下降。

为了突破摩尔定律的限制，实现芯片技术的革命性发展，原子级芯片技术应运而生。这是一项利用单个原子或原子集团来构建电子器件的先进技术。

它能够在纳米尺度上实现对电子的精确控制，从而创造出新的功能。该技术的核心在于实现原子精度的纳米加工，可以在硅等半导体材料上精确地植入、移动或移除单个原子，从而形成所需的电子结构。

原子级芯片技术具有以下几个显著特点：

• 高密度：原子级芯片技术能够在极小的空间内实现大量信息的存储和处理。例如，利用一个原子来储存一个比特，或者使用几个原子构成一个晶体管，这极大地提高了芯片的集成度和性能，同时降低了功耗和成本。

• 灵活性：原子级芯片技术能够根据不同的需求，灵活地设计制造出带有各种功能的原子结构，例如原子点阵、原子开关、原子逻辑门等。这样可以实现芯片的多样化，满足不同领域的应用场景。

• 高稳定性：原子级芯片技术利用原子之间的强化学键或量子效应，使得原子结构和器件具有很高的稳定性，能够抵抗温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响。这有助于提高芯片的寿命，减少维护成本。

• 高兼容性：原子级芯片技术与现有的半导体工艺相兼容，可以利用常用的半导体基底如硅来制造原子级芯片，也可以与其他类型的芯片进行混合集成。这样就可以直接利用现有的技术设备，降低技术门槛和转换成本，加速技术的推广。

室温超原子半导体

超原子半导体是一种由超原子组成的全新材料，其中的超原子指的是具有类似于单个原子的电子结构和化学性质的原子簇。

这些超原子可以通过不同的组合方式形成多种功能性材料。室温超原子半导体是指在室温下具有半导体特性的超原子材料，其具有以下几个优势：

• 室温电子传输：室温超原子半导体能够实现无损耗的电子传输，提高芯片的速度，为未来的智能领域带来了革命性的突破。
• 精确控制：通过调节超原子的组成和排列方式，可以精确控制其能带结构和电子性质，实现多功能化和定制化的设计。
• 简便制备：室温超原子半导体可以通过简单的化学反应和自组装过程制备，无需复杂的设备和高温高压条件，从而降低了制造成本。

美国哥伦比亚大学的研究人员在实验室中成功合成了一种超原子，由六个铼原子和八个硒原子组成，即Re6Se8，随后经过氯气氯化处理得到了Re6Se8Cl2这种超原子材料。

通过扫描隧道显微镜观察了其结构，并利用飞秒激光脉冲激发出激子，再用超快光谱仪测量了其传输过程。研究结果发现了一种称为声学激子-极化子的电子准粒子，它可以与声子形成共振态，避免了与晶格振动（声子）发生散射，从而实现了无损耗的传输。

这项技术的领先性使得它在超原子领域具有重大意义。它首次实现了在室温下的超原子半导体，突破了传统半导体材料的极限，为未来的芯片设计提供了新的可能性。

这项技术在国际上处于领先地位，目前尚无其他研究机构达到了这样的研究进度。它对摩尔定律的影响可能非常大，因为它可以在不依赖晶体管尺寸的微缩情况下，实现芯片性能的指数级增长，从而突破摩尔定律的预测。

结语

摩尔定律或许已经不好用了，但新的技术革命正在孕育之中。超原子半导体的出现为我们描绘了一个崭新的未来，一个不再受尺寸限制、性能指数级增长的未来。让我们拭目以待，见证这一新技术的发展，看看它将如何改变我们的生活和工作。

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