19年不丢数据，擦写6万次不坏，原子级材料重新定义未来芯片

手机充电一次能用一整个星期，手表不需要每天摘下来充电，摄像头拍完照片立刻就能完成图像识别，不用把数据传到云端等上几秒，这便是上海大学王震宇副教授和瑞士、意大利的合作者正在推动的技术。

他们最近在《自然·电子学》上发表了一篇论文，用两种原子级厚度的材料二硫化铌和二硫化钼做出了新型非易失存储器。这个存储器能保持数据大约 19 年，可以反复编程擦除超过 6 万次，而且它本身就是一个性能很好的晶体管。换句话说，这个器件同时具备计算和存储两种本领。

王震宇目前在上海大学微电子学院和中瑞先进技术研究院工作。他 2019 年从清华大学本科毕业，之后在瑞士洛桑联邦理工学院攻读博士，师从二维半导体领域的重要学者 Andras Kis 教授。2025 年回国加入上海大学后，他继续推进二维材料从实验室走向实际应用的研究。

这项研究的核心是一层原子级薄的二硫化钼，它作为半导体通道，负责电流的开关。传统上，科学家用金属电极比如钛或者金来连接这种二维材料，但界面质量很差，接触不好、电阻很大，器件性能大打折扣。

王震宇和合作者换了一种思路，他们先在蓝宝石衬底上用金属有机物化学气相沉积技术生长出高质量的单层二硫化钼，然后通过光刻和干法刻蚀定义出想要的图案。接着，他们在特定位置蒸镀一层 3 纳米厚的金属铌，再经过硫化处理，这层铌就转化成了二硫化铌。二硫化铌是金属性的二维材料，和下面的二硫化钼形成了原子级平整的异质结构。

（来源：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01634-z）

这个过程的关键在于，他们直接在半导体的特定位置上长出金属性的二维材料作为接触电极。这种生长即集成的思路避免了传统转移带来的污染和界面缺陷，也实现了晶圆级的可图形化制备。

相比传统的二硫化钼晶体管，这种异质结构的开态电流最高提升了 9 倍，有效迁移率达到每伏特秒 77 平方厘米，器件的统计良率高达 95.8%。这意味着在厘米尺度的范围内，144 个晶体管里只有少数几个不工作，均匀性非常好。

如果只是做一个好用的晶体管，这个故事还不够精彩。王震宇团队把这种异质结构进一步用到了浮栅晶体管里。他们在硅衬底上先做了一层 5 纳米厚的铂作为浮栅，浮栅上下分别有7纳米厚的隧穿氧化层和 270 纳米厚的阻挡氧化层，最上面就是二硫化铌接触的二硫化钼通道。

当你在控制栅上施加电压时，电子会通过隧穿氧化层进入铂浮栅，被存储在那里。去掉电压后，电子被困在浮栅里，器件的阈值电压发生偏移，电流大小因此改变，这就是非易失存储的原理。

（来源：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01634-z）

这个存储器的存储窗口达到了 13.8 伏，可以精细地调节通道的电导状态。王震宇用 10 毫秒宽度的电压脉冲，一步一步地增加或者减小器件的电导，实现了线性的连续调制。这种特性对于存内计算非常重要，因为神经网络中的权重值需要被精确地设置为不同的状态。

数据保持能力是非易失存储的关键指标，他们在室温下测试了 10 个小时，器件的电导几乎没有变化。为了推算更长时间的稳定性，他们把器件加热到 425 开尔文，在这个温度下数据能保持 18.2 小时。利用阿伦尼乌斯模型计算，加速因子大约是 8,973 倍，折算到室温就是大约 19 年。他们还对器件进行反复编程和擦除，在超过 6 万个循环之后器件才失效。这证明了它的耐用性。

（来源：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01634-z）

传统存储器比如手机里的闪存或者电脑里的固态硬盘，存储密度非常高，价格也很便宜，但它们做计算很慢。每次计算都要把数据从存储器搬到处理器，处理完再搬回去，这个过程既费时间又耗电。王震宇做的这个器件，存储和计算在同一个物理层完成，数据不用来回搬运，能耗大大降低。

这种技术和现在的 3D NAND 或者 NOR Flash 不是正面竞争的关系，王震宇自己也很清楚这一点，他告诉 DeepTech NAND 闪存的优势来自不断堆叠存储层数，但继续提高密度需要越来越复杂的刻蚀工艺，成本也在持续增加。而他们的器件基于原子级厚度的材料，除了具备非易失存储功能，还能同时作为高性能晶体管工作，相当于把存储和计算融合在同一个器件里。这对于未来低功耗计算和存内计算等新架构很有吸引力。

当然，从实验室走向产业还有很长一段路，王震宇认为第一代产品形态可能是和逻辑电路紧密耦合的存算一体计算单元。如果单纯做大容量存储，需要直接和成熟的闪存、DRAM 技术竞争，在成本、密度和产业成熟度上，二维材料目前还不具备优势。它更有潜力的地方在于可穿戴设备、智能传感器、机器人或者低功耗终端这些场景，因为这些场景本身更关注功耗、响应速度和本地计算能力。

（来源：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01634-z）

王震宇预计，未来 3 到 5 年可能会看到一些小规模的功能验证芯片，比如用于简单 AI 推理任务或者存内计算演示。如果要真正进入复杂应用系统甚至产业化产品，可能需要 5 到 10 年甚至更长时间。这类技术的发展更像一场长期积累，不会一夜之间替代现有芯片体系，而是逐渐在一些特定场景找到自己的位置。

这项研究的另一个亮点是可扩展性，他们和意大利的合作者用计算机辅助设计工具做了仿真，发现当栅长从 5 微米缩小到 10 纳米时，只要适当减薄控制氧化层的厚度，存储窗口可以基本保持。这说明这种结构有潜力做得非常小，符合芯片制造不断微缩的趋势。

研究中王震宇在感受到了跨国合作的独特价值，这个项目涉及中国、瑞士、意大利多个国家的团队，大家分布在不同的时区，有时候早上刚和上海团队讨论完实验方案，晚上又要和瑞士团队开会，第二天可能还会收到意大利合作方的新结果。不同团队的研究背景和思路都不太一样，但也正因为这样，经常碰撞出新的想法。

从国家战略层面看，十五五期间非常强调原子级制造、新材料体系以及未来芯片技术的发展。二维材料由于天然具备原子级厚度、界面可设计等独特优势，与原子级制造的发展方向高度契合。王震宇也希望面向国家重大需求，进一步推动二维材料从实验室基础研究走向实际器件和系统应用。

这项工作目前主要完成了材料和单器件层面的验证，接下来会放在更高层级的集成和应用验证上。比如进一步扩大二维异质结构的制备尺寸，提高材料均匀性和工艺稳定性，推进器件阵列、存算一体架构以及实际功能芯片的验证，真正把材料、工艺、器件和系统连接起来。

另据悉，王震宇去年从瑞士回国后加入上海大学微电子学院和中瑞先进技术研究院。学校近年来与瑞士工程和科学界合作非常深入，已经连续三年承办中瑞工程院创新论坛。这项成果也是中瑞高校长期合作的代表性成果之一。未来他们也希望进一步加强与瑞士高校和科研机构的合作，在二维材料大规模制造、异质集成以及低功耗器件等方向开展更深入的联合研究。

参考资料：

相关论文https://www.nature.com/articles/s41928-026-01634-z

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注：封面/首图由 AI 辅助生成