超薄2D材料，挑战硅芯片极限

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来源：内容来自ASU。

对于微电子的未来而言，尺寸至关重要。为了应对下一波人工智能、智能设备等领域的创新浪潮，未来的微芯片需要变得更小。

亚利桑那州立大学艾拉·A·富尔顿工程学院物质、传输与能量工程学院的教授通盖（Tongay）正是研究这一领域的专家。他获得了全球微电子领军企业应用材料公司（Applied Materials Inc.）的一系列研究资助，致力于创造先进技术，开发更小、更节能的芯片。

作为美国最大的半导体设备供应商，应用材料公司提供的这笔资金是其与亚利桑那州立大学更广泛合作的一部分，旨在共同推动微电子领域的重大突破。

芯片的未来在于“扁平化”

随着半导体行业面临传统硅技术回报递减的困境，二维（2D）半导体作为一种大胆的新兴前沿技术脱颖而出。这些材料的厚度仅有几个原子，有望实现硅已经无法做到的事情：将芯片的速度、效率和小型化推向前所未有的水平。

通盖和他的团队正在探索原子尺度的世界，以创造、测试和优化新材料。这些材料可能很快将为从量子计算到快速发展的人工智能硬件等一切设备提供动力。

通盖表示：“二维半导体提供了传统硅已经无法再提供的优势。它们让我们超越了现有技术的极限，实现了超小型化，同时保持了高性能和低能耗。这是电子技术的下一个时代，而它正是在当下发生。”

与相对较厚且受物理限制的硅晶圆不同，二维半导体超薄、柔韧，并拥有卓越的电子特性。它们可以使芯片像纸张一样层叠，让工程师在更小的空间内集成更多的处理能力。

然而，以行业所需的稳定性和质量大规模制造这些材料并非易事。因此，通盖的团队正在开发新的材料生长方法，就像用原子进行“打印”一样，将超薄层精确地放置在芯片上所需的位置。

通盖说：“我们不仅仅是在制造材料，我们正在以原子为单位、以位置为基准，精确地构建它们。”

一旦生长完成，这些材料将接受严格的性能测试，并与经过时间考验的硅和硅锗半导体进行基准比较。目标是证明二维材料不仅可以与旧技术竞争，在某些情况下甚至可以超越它们。

该团队的工作并非为了取代硅，而是为了实现飞跃。二维半导体不仅更薄，其行为方式也截然不同。它们可以为新型晶体管进行调整，实现柔性电子产品，甚至为光子或自旋电子计算打开大门。

富尔顿工程学院业务发展总监安东尼·塔姆（Anthony Tam）表示，这项工作的意义远超学术界。

塔姆说：“这项工作最令人兴奋的地方在于，它直接解决了行业的一个关键挑战：如何在继续扩展先进芯片的同时降低功耗？未来的AI处理器功耗可能超过10千瓦，相当于1000个家用灯泡的能耗。这个项目有可能成为颠覆性的突破。”

这些项目将有助于开创电子产品的新浪潮——更小、更快、更低温、更节能的设备。想象一下，可穿戴设备一次充电可使用数天，AI处理器拥有闪电般的速度，数据中心运行不再需要一个城市的电力。

塑造未来的“薄”前沿

为了创造这些原子级的超薄材料，通盖的团队正在开发新技术，以一次一层原子的方式，将它们直接生长到芯片表面。这种自下而上的方法比传统方法提供了更高的精度，能够对每一层的结构和性能进行精细控制。

该团队正在使用脉冲激光沉积（PLD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等先进方法来实现这一目标。在PLD中，强大的激光将固体材料爆破成等离子体，然后等离子体沉淀到加热的表面形成薄膜。而PECVD则使用带电气体来引发化学反应，从而在较低温度下构建层状结构。

通盖表示：“我们正在努力确保这些尖端材料能够在现实世界中得到实际应用。这意味着不仅要提高性能，还要使其更易于生长、测试和规模化生产。”

获得资助的项目正在帮助将未来的技术带入今天的工厂。物质、传输与能量工程学院院长安东尼·瓦斯（Anthony Waas）表示，这类工作体现了富尔顿工程学院与应用材料公司合作的精神。

瓦斯说：“这些项目面向未来，并具有明确的产业相关性。它们展示了亚利桑那州立大学的研究人员如何从概念走向实施，帮助解决当今微电子领域一些最紧迫的技术挑战。”

通盖实验室在原子尺度上所做的工作，可能会在全球范围内引发产业巨变。芯片也许正变得越来越小，但亚利桑那州立大学实验室里涌现出的创新，其意义却无比巨大。

https://news.asu.edu/20250801-science-and-technology-tiny-chips-big-innovations

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