二维材料——后摩尔时代技术创新的潜力股

原文发表于《科技导报》2025 年第17 期 《 二维材料引领后摩尔时代 》

二维材料因其优异的物理化学特性，在“后摩尔时代”成为集成电路、可穿戴技术、医疗监测等领域的潜力股，变成当前学术界和产业界的研究热点。本文介绍了后摩尔时代面临的瓶颈和挑战，以及二维材料的发展历程、制备方法以及超薄性、带隙可调和超高的迁移率，分析了二维材料的应用前景。通过对二维材料在实际应用中面临问题的探讨，提出了弥补不足的技术手段以及发展二维材料的方向路径。

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后摩尔时代的降临

摩尔定律由英特尔联合创始人戈登•摩尔于1965年提出，核心是“集成电路上的晶体管数量每18~24个月翻倍，性能提升约50%，成本降低1/2”。摩尔时代集成电路一直以硅基半导体为核心，依赖于晶体管尺寸的持续微缩（从微米级到纳米级）来提升性能。

摩尔定律的“指数级增长”逐渐放缓甚至停滞，传统摩尔定律趋近失效。传统硅基技术的物理极限和新兴应用需求的爆发式增长之间的矛盾使集成电路进入一条新的发展路径，这是一条放弃以单纯依赖“缩小晶体管尺寸”来发展的道路，而转向材料、器件、集成以及系统等多维度的创新路线提高集成电路的性能，这一阶段被称为“后摩尔时代”。

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二维材料能否成为后摩尔

时代的天之骄子在后摩尔时代，科研人员针对硅基技术在微缩过程中面临的物理极限（如量子隧穿、短沟道效应、集成度天花板等）来筛选新的材料，可以实现集成电路性能的进一步提升。很快，科学家通过量子力学计算和材料基因组计划系统的筛选，将目光聚集到了潜力股二维材料身上。二维材料是在三维空间中仅具有2个维度（长度和宽度）且可自由运动、厚度仅为单个或少数几个原子层的纳米级材料。

为什么二维材料成为后摩尔时代最有潜力的天选之子呢？

首先，在三维材料中，载流子的运动多多少少会受到一定的限制，而理论上二维材料得天独厚的“二维”性质天然地满足量子限域的条件，它的能带结构可以通过调节层数、晶向、缺陷等参数来调控。

然后，不同于硅基材料表面存在大量悬挂键容易与环境反应形成缺陷导致器件性能退化的情况，二维材料的表面平整无悬挂键，这样的特质可以避免因悬挂键导致的氧化反应，从而显著降低载流子散射。

最后，二维材料制造的沟道厚度仅有几个原子层，栅极与沟道之间的势垒宽度将大幅压缩，通过高介电常数栅介质可提升势垒高度，而势垒宽度和高度可以影响量子隧穿的穿透概率，使用二维材料理论上可以将隧穿电流降低，达到硅基器件的千分之一以下。如图1所示，二维材料可以突破传统晶体管沟道和物理栅长的极限。

图1 晶体管从纳米到亚纳米级别发展历程

材料的制备决定了是否能获得高性能的二维材料，目前可以通过机械剥离、化学气相沉积（CVD）生长和液相剥离来制备原子级平整的二维材料样品。经过10余年发展，二维材料家族早已从最开始的石墨烯，拓展到二维金属、二维半导体、二维绝缘体、二维超导体等多元化的体系，见表1。

二维材料的材料特性以及在材料基础上的新架构使芯片设计从单一功能优化向系统级协同创新迈进，使得二维材料在后摩尔时代算力增长道路上具有革命性的意义。

表1 常见二维材料、性质及应用方向

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典型二维材料的性能对比与技术可行性

典型二维材料的性能对比见表2。石墨烯、MoS2和黑磷这三者在性能指标与应用场景上各有长处：石墨烯更侧重于高速低噪声模拟与射频应用，MoS2强调高开关比与光电响应，黑磷则凭借带隙可调与各向异性契合特定探测与模拟需求。未来的研究应该聚焦于带隙工程、界面与接触优化、大尺度均匀生长及封装策略，在兼顾迁移率、功耗与环境稳定性的情况下，加速二维材料在可穿戴电子、物联网与高性能计算等领域的商业化应用。

表2 典型二维材料的性能对比

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二维材料是否有实力取代现有材料

二维材料之所以被视为突破硅基物理极限的关键新材料，核心在于其原子级厚度的本征特性与量子效应主导的功能调控能力，能够针对性地解决硅基技术在微缩、功耗、集成和功能扩展等方面的瓶颈。作为“后摩尔时代”的核心新材料，二维材料的使用潜力是无限的，但美好希望到来的同时，二维材料在取代硅基的道路上仍然有一些关键障碍。

硅基材料的规模化制备非常成熟，而二维材料大面积、高质量生长却仍然困难重重。使用机械剥离产量极低，只能停留于实验室使用，无法满足工业化。这样的特性使得刻蚀、掺杂、金属化的工艺无法与传统硅基工艺兼容。虽然二维材料理论上的预测性能特别好，但是在实际运用中，需克服各种环境的限制才能发挥出最大的性能，二维材料在高功率场景下的多场耦合效应尚不明确，器件无法验证有效的可靠性。所以关于二维材料能否取代现有材料，还要打一个大大的问号，以目前的技术水平，还有一段长长的路要走。

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二维材料的不足是否可以弥补

二维材料凭借其独特的物理性质在多个领域展现出卓越的潜力，而在实际应用中这些材料在性能优化、稳定性以及适应性方面还展现出一些不足之处。随着原子级制造技术、复合材料技术、结构调控方法以及异构计算架构持续取得进展，科学家们通过不断的创新技术，努力地弥补这些不足，推动二维材料得到广泛应用。

材料制备过程中，通过新型的原子级催化剂来调控二维材料的成核和生长，如使用Ru单原子修饰铜基底，降低缺陷密度。在CVD生长过程中引入H2S、NH3等气体调节生长环境，可以实现对层数的精准控制。对于制造黑磷过程中高温造成的影响，则尝试利用低熔点熔盐作为溶剂，降低生长温度，从而抑制缺陷的生成。

在晶圆级集成方面，卷对卷（R2R）转移技术通过柔性基底连续转移二维材料，提升二维材料转移质量。电子束光刻（EBL）代替传统光刻，可以实现二维材料的纳米级图案化；原子层刻蚀（ALE）代替传统刻蚀，来实现对二维材料的原子级精度刻蚀，提高刻蚀成功率；分子层沉积（MLD）的办法降低二维材料对环境的敏感性。

对于稳定二维材料的电学和热学稳定性来说，使用等离子体氢化（H2等离子体处理）饱和二维材料的悬挂键的氢钝化技术，可以稳定二维材料的迁移稳定率，在二维器件下方集成高导热材料（如金刚石、h−BN），可以将界面热阻降至接近硅基水平，将器件结温控制在安全范围，解决制备过程中的热管理问题。

从石墨烯的发现（2004年）到如今数百种二维材料的涌现，它们已成为后摩尔时代突破硅基物理极限、推动电子信息、能源存储、光电传感等领域革新的核心候选材料。尽管目前二维材料的规模化制备和工艺集成仍需优化，但其作为“后摩尔时代”核心新材料的地位已不可动摇，潜力无限，未来将推动集成电路从“硅基主导”向“二维材料主导”的范式转变。

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二维材料在后摩尔时代的发展路径

后摩尔时代集成电路的发展将不再靠盲目扩大集成晶体管的规模，而是多维度地结合新材料、新结构、新集成等优化电路设计以及系统算法来解决集成电路功耗和效率问题。所以二维材料与硅基材料的关系并非“取代”，而是互补。未来的发展方向应该会通过“异质集成”技术，将二维材料的优势与硅基的成熟工艺结合，形成“1+1>2”的协同效应。

未来的二维材料难以直接替代硅基材料，而是作为“功能层”嵌入硅基芯片，先来解决目前硅基芯片的一些功能限制问题，补充硅基芯片中缺失的特性。针对AI推理、柔性显示、红外探测等特定场景，设计“二维−硅基混合芯片”，让它们各自发挥自己的优势。在制备二维材料的过程中，推动二维材料的“硅基化”改造，调控二维材料的界面特性，使它更易与硅基工艺兼容。

二维材料在超高频、柔性电子、宽光谱探测、低功耗存算等场景中展现出硅基无法替代的优势，短期的未来，硅基材料将仍然主导主流芯片市场，而长期来看，二维材料将通过“异质集成”与硅基形成互补，共同推动电子信息技术的革新。二维材料不会完全取代硅基，但会成为后摩尔时代技术创新的核心驱动力之一。

本文作者：马佳玉，孙仲恒，赵禹涵，赵虎，郭浩，田禾

作者简介：马佳玉，清华大学集成电路学院、中北大学半导体与物理学院，硕士生，研究方向为二维材料柔性传感；郭浩（共同通信作者），中北大学半导体与物理学院，教授，研究方向为微纳光量子传感与精密测量、微纳器件集成及应用；田禾（通信作者），清华大学集成电路学院，副教授，研究方向为基于二维材料（石墨烯、二硫化钼、黑磷等）的新型微纳电子器件等。

文章来 源 ： 马佳玉, 孙仲恒, 赵禹涵, 等. 二维材料引领后摩尔时代[J]. 科技导报, 2025, 43(17): 16−21.

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