陳根：摩爾定律面臨失效，二維材料可否救場？

文/陳根

從口袋裏的智能手機到為互聯網“供電”的龐大數據中心，從電動踏板車到超音速飛機，從起搏器到天氣預報超級計算機。這其中的每一個設備內部，無論是廣為人知還是鮮為人知，都依託於一項微小技術，那就是半導體。而作為半導體重要材料的硅，則在其中扮演了無可替代的重要作用。

在正在到來的萬物互聯時代，芯片已然成為了一切智能設備的核心。半導體器件是現代計算的基本組成部分，被稱為晶體管的半導體設備是在計算機內部運行計算的微型電子開關。

美國科學家於1947年建造了第一個硅晶體管，在此之前，計算機理是由真空管完成的，該真空管體積大，速度慢。直至後來，硅改變了一切。

硅打開了半導體材料的新大門，使一大批半導體元器件變得越來越小，這種變化逐年發生。半導體元器件變得越來越小的同時，也在變得越來越智能。而晶體管的小型化，使人們能夠將大型運算設備安裝在微型芯片上。

創新的速度是空前的，芯片遵循摩爾定律的預測以穩定的速度被小型化。早期晶體管肉眼可見，但是到了現在，一個很小的芯片就可以容納數十億個晶體管。可以説，電子計算的穩步發展已證明了硅卓越的價值，而其發展也已超過70年。

但是硅的劣勢正在凸顯。一直以來，微芯片的計算能力都在以每兩年翻一番的速度前進着，這就是所謂的摩爾定律（Moore's Law），但這個運行了數十年的定律一直在放緩，並且可能很快就會終結。

就目前而言，使用當前的方法，將元素蝕刻到最小尺寸小於約3納米的硅（如晶體管）中幾乎是不可能的。（從一個角度看，一個3納米的膜厚度可以低至15個原子。）因此，技術行業正在尋找其他可與硅相媲的材料，或者至少與之結合以大大提高其硅的厚度和能力的材料。

不論是物理學、化學還是工程學前沿的研究人員，都正在試驗用於微芯片的可替代材料，包括石墨烯，黑磷，過渡金屬二鹵化物和氮化硼納米片。這些材料也被稱為2-D材料，因為這些材料是僅一個原子或兩個厚度的平板。

由於二維材料只有一個原子或兩個厚度，因此它們可以在硅微芯片上生長，也可以分別生長，然後小心放置。賓夕法尼亞大學專門研究納米技術的工程學教授Deep Jariwala認為，這與僅堆疊硅層的方案相比有兩個優勢。一是可以堆疊許多芯片而不會增加芯片的高度。二是某些二維材料（尤其是石墨烯）的散熱效果非常好，工程師可以使用它們來製造高樓板，其運行速度比傳統微芯片還要快，而不會燒壞自己。

此外，二維材料對光具有獨特的敏感度，對於其的處理還將使得當前的設備進行更有意義的升級。光將是微芯片與計算機內部其他組件之間以及內部以及之間的較快，更有效的通信方式，從而加快了電子在微芯片和通信網絡內部被光子替換的速度。

特別值得一提的是，所有二維材料的祖父都是石墨烯。石墨烯具有導熱的特性，這使其能夠成功應用於智能手機及其電池保持涼爽以及延長運動裝備壽命。由於其特性更類似於金或銅等其他導體，因此不太可能替代硅。但是石墨烯所具有的其他獨特的特性，使其與傳統的硅微芯片結合使用時非常有用。

半導體是電子產品的核心，半導體和被動元件以及模組器件通過集成電路板連接，構成了智能手機、PC等電子產品的核心部件，承擔信息的載體和傳輸功能，成為信息化社會的基石。很大程度上，半導體的突破決定了當前社會的進步，這也讓二維材料的尋找與研發具有更重要的使命。