摩爾定律

摩爾定律是由英特爾創始人之一戈登·摩爾提出來的。這條定律大致是說，當價格不變時，積體電路上的電子元件數目沒過18到24個月就會翻倍，相應的效能也會翻倍。相信大家對此都深有體會，去年買的手機，今年就便宜了很多，而且相同價錢買到的手機，效能也提高了很多。不過摩爾定律不會無限的持續下去，當電子元件的體積非常小的時候，不僅製作工藝難度會大大提高，器件的物理和化學性質也會發生很大變化。目前矽片上的電晶體幾乎達到了極限，研究人員們正在進一步尋找可以延續摩爾定律的新一代材料，二維半導體就是其中之一。

積體電路

二維半導體

二維半導體材料是由單層或少數層原子或者分子層組成，層內由較強的共價鍵或離子鍵連線，而層間則由作用力較弱的范德瓦耳斯力結合。它們因獨特的結構而具有奇特的特性與功能。典型的二維半導體材料有石墨烯（單層石墨）和過渡金屬硫化物。石墨烯具有相當優異的電子傳輸特性，電子遷移率高出傳統矽材料100倍，電導率可達106Sm-1，可是說是目前已知的室溫下導電效能最好的光電材料。由過渡金屬硫化物製作而成的電晶體有很高的開關比。這些優異的效能是二維半導體能夠做成電路的基礎條件。

石墨烯的六方晶格結構

在三維的半導體材料中，電子很難透過奈米尺度的電路，因為材料的表面缺陷很容易使電子發生散射，從而阻止電流的產生。但是對於單層的二維半導體來說，電子只能在有限的垂直尺寸上運動，所以並不會有表面缺陷對電子運動造成阻礙，這為縮小電晶體的體積提供了保證。

二維半導體晶片

面臨挑戰

雖然二維半導體效能如此優越，但要使其滿足工業裝置的需要，還得解決三個基本的研究問題。

（1）對材料效能的準確計算

首先我們必須找到一個最合適的材料，目前研究人員發現的候選材料有1000多種，它們的電學性質各不相同。誠然，我們可以透過理論計算可以比實驗驗證更快地剔除我們不需要的材料，但是理論計算很難去準確預測把材料做成器件後的各種效能。不僅如此，在實際環境中，材料中電子的運動比理論要複雜得多，比如晶格的震動如何減慢電子的速度？與其他材料的接觸會產生什麼影響？這些都是物理學家們需要考慮的問題。

（2）材料的製備和測試

目前二維材料的製備方法主要是機械剝離，這種方法不僅效率很低，而且製備的樣品形狀大小差別很大。當然更好的方法是透過氣相沉積的方法來使材料在真空室裡生長出來，但這種方法難以實現對材料厚度的精確控制，以至於無法形成單層材料，而使材料效能大幅下降，除此之外還要考慮襯底和溫度對材料的影響等等。

（3）器件的標準

目前報道的二維半導體器件的效能測定並沒有統一的標準，實驗室與實驗室之間的製造工藝與測量標準有很大差距。學術界還需儘快與工業界溝通合作，制定一個統一的標準來促進研究。

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