二維材料的新機遇

隨著傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件微型化達(dá)到物理極限，摩爾定律已經(jīng)走到盡頭，傳統(tǒng)材料難以滿足未來大數(shù)據(jù)時代日益增長的計算需求。二維材料以其獨特的優(yōu)勢，成為有希望取代傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體材料的候選者之一。此外，二維材料也展現(xiàn)出了諸如拓?fù)洹婈P(guān)聯(lián)、超導(dǎo)等新奇的物理效應(yīng)，近年來的研究還發(fā)現(xiàn)這些新奇物性可以被大范圍、精準(zhǔn)調(diào)控。二維材料已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理研究的絕佳平臺。

我們的時代是硅的時代。小到可佩戴的運動手環(huán)，大到每秒計算10億億次的超級計算機神威 · 太湖之光，都依賴硅基集成電路進(jìn)行計算。隨著幾十年來集成電路的發(fā)展，硅基元件的性能潛力已經(jīng)隱隱可以看到盡頭。可喜的是，近年來二維材料的研究為我們指出了一條芯片發(fā)展的新道路。二維材料的基礎(chǔ)研究有可能成為破解芯片性能瓶頸問題的關(guān)鍵。

接下來我們將從半導(dǎo)體行業(yè)的歷史發(fā)展講起，逐漸為讀者展示新型二維材料在芯片制造和基礎(chǔ)物理研究中的巨大潛力。

半導(dǎo)體器件的崛起

計算簡史：從結(jié)繩記事到電子計算機 計算是人類生產(chǎn)生活中最重要的工作之一，計算工具（計算機）的發(fā)展貫穿了人類的發(fā)展歷史。從遠(yuǎn)古時代的結(jié)繩記事，到中國古代的算盤，再到近代的電機械加密計算機恩尼格瑪（Enigma），都是利用機械結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)并進(jìn)行計算。機械計算的出現(xiàn)自然是人類文明的一大飛躍，但是計算速度仍然受到機械結(jié)構(gòu)的限制，而且脫離不了人的實時操作。

如何提高計算機的速度成為人們關(guān)注的一個重要問題。20世紀(jì)之前的基礎(chǔ)物理研究給新型計算機的發(fā)展找到了一個足夠高速的計算載體：電信號。理論上電信號（電流或電壓）的改變速度取決于電磁場的傳播速度，可以接近光速，這可能是人們能找到的最快速的信號了。如果我們將電流的連通與斷開，分別人為地編碼為1與0，就可以存儲二進(jìn)制信息，從而解決機械開關(guān)速度慢的問題。

早期的電子計算機原件：真空管 如何快速控制電流的開關(guān)呢？大家比較熟悉的可能是繼電器或者干簧管，但是繼電器或干簧管的機械結(jié)構(gòu)不可能達(dá)到電子計算機所需要的高速。在探索中，科學(xué)家發(fā)明了利用外界電壓變化控制電流的元件——真空管。

真空管的原理很簡單，科學(xué)家在一個類似白熾燈泡的真空室中插入通電加熱的燈絲，陰極處的熱燈絲會發(fā)出穩(wěn)定的電子流。此時在電子流中間、接近陰極的地方加上一個網(wǎng)格狀的電極（柵極），當(dāng)電極處于合適大小的負(fù)電位時，電子被“卡”住，真空管不導(dǎo)通；當(dāng)電極處于合適大小的正電位時，電子通過，真空管導(dǎo)通。這樣便實現(xiàn)了僅用電極的電壓變化來控制電流。

這樣設(shè)計的真空管材料簡單，體積很小，非常適合集成化。接下來，如何讓多個真空管一起工作，進(jìn)行必需的運算呢？這需要引入現(xiàn)代計算機的“邏輯控制”概念。

計算機的邏輯控制 人的參與很大程度上制約了早期計算機的速度和準(zhǔn)確度。新型電子計算機的革新建立在“邏輯控制”原理上，即將一般運算分解為簡單邏輯運算，例如“與（AND）”“或（OR）”“非（NOT）”的組合，允許其自動運行。

重新考慮上面介紹的真空管。當(dāng)柵極為負(fù)電位時，真空管不導(dǎo)通，沒有電流流過；而當(dāng)柵極為正電位時，真空管導(dǎo)通，有電流通過真空管。柵極的正負(fù)電位與真空管的導(dǎo)通與否剛好可以構(gòu)成一個“非”的關(guān)系。我們還可以巧妙地設(shè)計其他的電路實現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯運算。

半導(dǎo)體的崛起 復(fù)雜的計算需要更大規(guī)模的真空管電路，此時電路的耗電量和體積成了大問題。1947年，巴丁（Bardeen）、布拉頓（Brattain）、肖克利（Shockley）三位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，他們研制的晶體半導(dǎo)體器件（晶體管）可以通過一部分的微量電流，控制另一部分流過的大電流。半導(dǎo)體元件能以更小的尺寸實現(xiàn)與真空管相似的功能，從而引發(fā)了集成電路歷史性的飛躍。三位科學(xué)家也因晶體管的發(fā)現(xiàn)獲得了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎。

為什么我們需要不斷增大電路的規(guī)模？這里其實有物理定律的支撐。1974年，羅伯特 · 登納德（Robert Dennard）發(fā)表了其著名的縮放比例定律。登納德基于對縮放前后電路的分析發(fā)現(xiàn)，若將晶體管的尺寸按比例縮小，則計算機的性能會按相應(yīng)比例提高。因此，縮小晶體管的尺寸從而提高集成度成為工程上的迫切需求。

縮放比例定律的發(fā)現(xiàn)，直接促成了英特爾創(chuàng)始人之一的戈登 · 摩爾（Gordon Moore）對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一個觀察：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目，約每經(jīng)過18個月便會增加一倍。這就是著名的摩爾定律。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。

我們在生活中可以深刻地體驗到摩爾定律的威力：每過一到兩年，手機、電腦等電子產(chǎn)品的計算能力就會突飛猛進(jìn)。僅僅20多年的時間，華為新發(fā)布的手機單位時間的計算能力就已經(jīng)超過了當(dāng)年的超級電腦——深藍(lán)。目前我國新研發(fā)的超級計算機——神威 · 太湖之光——每秒計算能力已經(jīng)達(dá)到了10億億次。

由此看到，以晶體管為基礎(chǔ)的集成電路代表了人類工程的奇跡。現(xiàn)如今，在一個芯片上，人們已經(jīng)可以集成幾十億個晶體管，每一個晶體管的加工精度可以達(dá)到幾十個原子，這幾乎達(dá)到了人類工程技術(shù)的極限。IBM在2021年公布的新工藝，采用4個門電極包裹半導(dǎo)體薄片的方式，將技術(shù)提高到了2nm級別。（注意這里的2nm并不代表芯片晶體管的真正尺度，而是技術(shù)代號，晶體管的真正尺度仍然停留在十幾納米左右。）

制造這樣微小的器件，需要高超的表面微納加工技術(shù)。這個技術(shù)的核心就是極紫外線（EUV）光刻機。EUV光刻機使用波長為13.5nm的極紫外光進(jìn)行加工，這樣才能達(dá)到芯片要求的10nm級的加工精度。中國現(xiàn)在面臨的問題是：世界上最先進(jìn)的EUV光刻機對中國禁運，但國內(nèi)暫時無法生產(chǎn)。這直接造成了嚴(yán)峻的芯片“卡脖子”問題。想要解決卡脖子問題，必須由中國的科研人員共同努力，早日實現(xiàn)EUV光刻機的國產(chǎn)化。

摩爾定律危機 摩爾定律預(yù)言的計算機性能的指數(shù)增長會一直成立嗎？從當(dāng)今硅基器件的發(fā)展來看，摩爾定律已然達(dá)到其瓶頸。隨著單個器件尺寸的減小，集成電路的總發(fā)熱功率逐漸變得不可忽視。家用電腦的CPU運行時需要經(jīng)過水冷、風(fēng)冷等精心設(shè)計的散熱措施。超級計算機更是常常要建在天然水域附近以確保良好的散熱。散熱問題直接限制了更高規(guī)模的集成電路發(fā)展。

困擾半導(dǎo)體材料的一個關(guān)鍵問題是“控制漏電”。從電磁學(xué)的角度，半導(dǎo)體存在“屏蔽效應(yīng)”，因此門電極只能控制最表面上的電流的通斷，更加深入的部分的電流只導(dǎo)致發(fā)熱，沒有參與計算，這形成了漏電的損耗。為了減小漏電的影響，加州大學(xué)伯克利分校的華人教授胡正明提出了魚鰭晶體管（FinFET），將硅片做成鰭狀的薄片半導(dǎo)體，從邊緣控制電流，由此減少了漏電的發(fā)熱損耗。盡管如此，尋找新的材料體系以取代原有的硅基半導(dǎo)體已經(jīng)成為當(dāng)今計算器件發(fā)展的一個重要課題。

二維材料的新機遇

三維材料的極限 隨著半導(dǎo)體材料工藝的推進(jìn)，更小的器件需要更薄的材料。而材料的厚度有一個物理極限——單原子層。硅的原子結(jié)構(gòu)與鉆石相似，是一種典型的四面體結(jié)構(gòu)。像硅這樣有三維晶體結(jié)構(gòu)的材料被稱為三維材料。三維材料的特性決定了當(dāng)硅薄到單層或若干層材料時，表面的硅層必須與其他原子成鍵。例如硅與氧原子成鍵之后，硅就變成了氧化硅，從而失去了硅特有的半導(dǎo)體特性。這宣告了硅作為半導(dǎo)體材料的極限。

二維材料石墨烯 石墨烯的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一類被稱之為“二維材料”的研究熱潮。石墨烯離我們的日常生活并不遙遠(yuǎn)，我們常用的鉛筆芯由石墨構(gòu)成，而石墨烯就是石墨剝離至單層原子的產(chǎn)物。石墨烯由碳原子構(gòu)成的正六邊形密鋪而成，在垂直于二維平面的方向，不會與外界原子成鍵，這正是二維材料區(qū)別于三維材料的優(yōu)勢。二維材料的發(fā)現(xiàn)可以突破三維材料的極限，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來了新的機遇。2010年，海姆（Geim）和諾沃肖洛夫（Novoselov）因為石墨烯的發(fā)現(xiàn)被授予了諾貝爾物理學(xué)獎。

這里還有筆者（張遠(yuǎn)波）的一個小故事。2002年，筆者尚在美國哥倫比亞大學(xué)菲利普 · 金姆（Phillip Kim）教授課題組攻讀博士學(xué)位時，就對石墨烯中可能存在的物理產(chǎn)生了濃厚的興趣。當(dāng)時我們碰到的第一個難題是：如何高效地制備單原子層的純凈石墨烯樣品？自然地，我們聯(lián)想到了每日都接觸的鉛筆。鉛筆芯由石墨構(gòu)成，而石墨就相當(dāng)于一層層石墨烯的疊加。在我們用鉛筆書寫的時候，鉛筆的筆跡事實上就是薄薄的石墨片，如果這個石墨片足夠薄，薄到只有一個原子厚，石墨烯就被這樣制備出來了！在2002—2004年的兩年時間內(nèi)，我們嘗試制作了一支“納米級”的“鉛筆”，通過“寫字”的方法，制作出小片的石墨片。經(jīng)過反復(fù)的實驗和優(yōu)化，獲得了5～100nm厚的石墨層。單原子層的石墨烯厚度大約為0.3nm，5nm的石墨片大抵相當(dāng)于十幾層碳原子的堆疊。通過這樣的技術(shù)，我們可以制作石墨器件。我們驚喜地發(fā)現(xiàn)，門電極對于薄層的石墨器件擁有微弱的調(diào)節(jié)作用。

同樣在2004年，海姆和諾沃肖洛夫在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表文章，提出他們已經(jīng)利用另一種方法制備出了單原子層的石墨烯。這樣自己設(shè)想的目標(biāo)提前被他人實現(xiàn)的事情，在科學(xué)探索中是經(jīng)常發(fā)生的。從我們個人的角度這當(dāng)然是有些令人沮喪，但是對整個科學(xué)界，這是一個激動人心的進(jìn)步。

石墨烯的剝離：魔術(shù)膠帶的威力 我們來看看兩位科學(xué)家提出的全新制備方法。他們僅僅使用日常生活中常見的透明膠帶，就完成了單原子石墨烯的高效、純凈的制備。首先，取小片的石墨碎片黏在膠帶上。然后將膠帶對折，使需要解離的石墨表面粘在膠帶上，再輕輕撕開，使表面互相分離。由于石墨的原子層之間作用力很小，膠帶的粘力就足以讓石墨分成兩半。此時的石墨碎片仍然很厚，反復(fù)進(jìn)行上面的過程，直至獲得了足夠薄的石墨薄層。我們可以用一個平整的表面（通常是硅片）將薄層從膠帶上分離下來。這樣就生產(chǎn)出了單層的石墨烯！了解到這一方法后，我們馬上在實驗室中重復(fù)了這樣的制備過程，并且利用原子力顯微鏡等技術(shù)手段確認(rèn)了單原子層石墨烯的存在。

石墨烯中的新物理 通過改進(jìn)實驗的制備工藝，我們很快獲得了更純凈、更大量的石墨烯樣品。在2005年時，我們與海姆實驗室分別獨立發(fā)現(xiàn)了石墨烯中的“半整數(shù)”量子霍爾效應(yīng)。

除此之外，石墨烯由于其中包含獨特的狄拉克型電子而蘊涵著豐富的新奇物理現(xiàn)象，隨著人們持續(xù)的研究不斷被發(fā)現(xiàn)，對于它的研究直到現(xiàn)在仍然經(jīng)久不衰。石墨烯具有極高的電子遷移率（導(dǎo)電能力）以及極佳的柵電極調(diào)控能力，人們期望利用它制備新一代的半導(dǎo)體器件。然而，和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體不同，石墨烯的能帶之間沒有空隙，無法達(dá)到理想半導(dǎo)體電流關(guān)閉的狀態(tài)，所以它無法被制成像晶體管一樣的電子開關(guān)元件。

但是，這并不意味著二維材料在半導(dǎo)體工業(yè)的終結(jié)。相反，還有許多的材料可以像石墨烯一樣剝離至二維，并展現(xiàn)出良好的半導(dǎo)體性質(zhì)。

新二維材料黑磷 在復(fù)旦大學(xué)的實驗室，我們一直在探索新的擁有帶隙的二維半導(dǎo)體材料。終于在2014年，我們與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝教授團隊合作，成功制備出了與石墨烯結(jié)構(gòu)相似的二維黑磷材料。與石墨烯不同的是，黑磷材料從塊材到二維都呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體性質(zhì)。同年，我們團隊在國際上首次制備了二維黑磷器件，其擁有類似晶體管的電子開關(guān)性能。

進(jìn)一步地，隨著越來越多實驗室加入對于二維黑磷材料的研究，研究者不斷發(fā)現(xiàn)二維黑磷器件在傳感、光伏等領(lǐng)域的可能應(yīng)用。圍繞二維黑磷材料的研究也已經(jīng)形成了一個新的研究方向。

二維半導(dǎo)體是國際公認(rèn)的集成電路未來的重要發(fā)展方向

從2010年諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給石墨烯相關(guān)研究以來，二維材料的研究已持續(xù)成為國際熱點：歐洲微電子中心（IMEC）已經(jīng)明確二維半導(dǎo)體為1nm及以下節(jié)點的重要材料體系；2022年6月國際集成電路峰會提出，二維半導(dǎo)體是目前業(yè)界唯一公認(rèn)能夠延續(xù)摩爾定律的材料。近年來，三星、臺積電、阿斯麥等企業(yè)和機構(gòu)已經(jīng)開始著力研發(fā)二維半導(dǎo)體作為3～5nm節(jié)點以后硅的替代方案。

膠帶解離方法的缺陷是無法生產(chǎn)工業(yè)可用大小的半導(dǎo)體材料。為此，研究者們正在推動晶圓級的二維材料生長研究。南京大學(xué)、中科院和復(fù)旦大學(xué)的團隊近期在這個領(lǐng)域都有可喜的進(jìn)展，已經(jīng)站在了世界的前列。

利用二維材料，科學(xué)家在晶體管制備上也有了許多進(jìn)展。清華大學(xué)團隊已經(jīng)實現(xiàn)0.34nm物理柵長下的二維材料晶體管，北京大學(xué)團隊研制出速度超越硅極限的二維材料晶體管。

基于二維半導(dǎo)體集成工藝，目前研究者已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)大部分硅基電路功能。下一步的目標(biāo)是利用二維半導(dǎo)體的特性，進(jìn)一步提高芯片的整體性能。

從材料物理的角度，我們可以總結(jié)出一條規(guī)律：“少者異也（Less is different）。”例如將石墨從三維解理至二維，形成的二維石墨烯擁有與石墨完全不同的物理化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)這樣的想法，我們找到了很多在二維下出現(xiàn)新的物理特性的材料。例如，我們實驗室發(fā)現(xiàn)二維本征磁性拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4存在“量子反常霍爾效應(yīng)”。對于這樣的二維材料，可以在零磁場的實驗條件下觀察到量子霍爾效應(yīng)的量子化電阻平臺。其本征磁性也使其擁有優(yōu)于磁性摻雜拓?fù)浣^緣體的效應(yīng)溫度。我們還發(fā)現(xiàn)了二維磁體Fe3GeTe2，其單層材料在外場的調(diào)控下可以在室溫下出現(xiàn)鐵磁性。對此類二維磁體的進(jìn)一步研究，有望為微型化磁性存儲等器件提供新型材料。

除此之外，對于二維材料的研究反過來可以給我們提供對于一些傳統(tǒng)三維材料中的奇異物理現(xiàn)象的理解。例如，如今基于銅氧化物的高溫超導(dǎo)材料都顯現(xiàn)出層狀晶體結(jié)構(gòu)，而對于它們非常規(guī)超導(dǎo)機制的理解目前仍是科學(xué)界的難解之謎。我們基于高溫超導(dǎo)材料Bi2Sr2CaCu2O8+x（Bi-2212）進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)將它剝離至二維極限時依然表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以及諸多獨特的高溫超導(dǎo)性質(zhì)與塊材幾乎一致。這說明對于以Bi-2212為代表的高溫超導(dǎo)而言，其超導(dǎo)是完全的二維現(xiàn)象，這為人們最終理解高溫超導(dǎo)現(xiàn)象提供了極具價值的線索。

結(jié)語

著名的物理學(xué)家費曼曾經(jīng)講過：“人類尚且年輕，一切才剛剛開始，我們碰到問題是理所當(dāng)然的，但是未來還有千萬年，我們的責(zé)任是盡力去做、盡力去學(xué)，尋求更好的解決方法，并傳給后人。”半導(dǎo)體物理已經(jīng)發(fā)展了幾十年，一代代的物理學(xué)家和工程師在不斷地改進(jìn)前人方案、不斷提出新的見解中前進(jìn)，在物理學(xué)的研究中，唯一能夠阻擋我們的，就是自己的想象力。

二維材料的新機遇已然出現(xiàn)，需要更多有知識、有創(chuàng)造力的學(xué)者和工程師不斷前行，為人類的美好未來而共同努力。

本文根據(jù)筆者在上海市科學(xué)技術(shù)普及志愿者協(xié)會主辦的 “海上科普論壇”上的報告撰寫而成