2D 材料引领变革：挑战硅芯片极限的创新之举

在科技日新月异的当下，微电子领域的发展对于推动人工智能、智能设备等众多行业的进步起着关键作用。2025 年 8 月 2 日消息，亚利桑那州立大学艾拉・A・富尔顿工程学院物质、传输与能量工程学院的教授通盖（Tongay），正投身于一项极具潜力的研究 —— 利用超薄 2D 材料挑战硅芯片的极限。

通盖教授获得了全球微电子领军企业应用材料公司（Applied Materials Inc.）的一系列研究资助。应用材料公司作为美国最大的半导体设备供应商，此次提供资金是其与亚利桑那州立大学更广泛合作的一部分，旨在携手推动微电子领域实现重大突破。

随着半导体行业面临传统硅技术回报递减的难题，二维（2D）半导体作为一种新兴的前沿技术崭露头角。这些材料的厚度仅有几个原子，有望达成硅材料难以实现的目标：将芯片的速度、效率和小型化提升到前所未有的高度。通盖和他的团队深入探索原子尺度的世界，致力于创造、测试和优化新材料。这些新材料未来可能为从量子计算到快速发展的人工智能硬件等各类设备提供强大动力。

通盖指出：“二维半导体具备传统硅材料无法比拟的优势。它们使我们能够超越现有技术的限制，实现超小型化，同时保持高性能和低能耗。这无疑是电子技术的下一个新时代，并且正在当下逐步实现。” 与相对较厚且受物理限制的硅晶圆不同，二维半导体不仅超薄、柔韧，还拥有卓越的电子特性。它们能够让芯片像纸张一样进行层叠，使工程师可以在更小的空间内集成更多的处理能力。

然而，要以行业所需的稳定性和质量大规模制造这些材料并非易事。为此，通盖的团队正在研发新的材料生长方法，如同用原子进行 “打印” 一般，将超薄层精准地放置在芯片上所需的位置。通盖表示：“我们不只是在制造材料，而是以原子为单位、以位置为基准，精确地构建它们。”

当这些材料生长完成后，将接受严格的性能测试，并与经过时间考验的硅和硅锗半导体进行基准对比。其目标在于证明二维材料不仅能够与传统技术竞争，在某些情况下还能超越它们。该团队的工作并非要取代硅，而是追求技术的飞跃。二维半导体不仅更薄，其行为方式也与传统材料大不相同。它们可以针对新型晶体管进行调整，实现柔性电子产品，甚至为光子或自旋电子计算开辟新的道路。

富尔顿工程学院业务发展总监安东尼・塔姆（Anthony Tam）强调，这项工作的意义远超学术界。他提到：“这项工作最令人兴奋之处在于，它直接解决了行业的一个关键挑战：如何在继续扩展先进芯片的同时降低功耗？未来的 AI 处理器功耗可能超过 10 千瓦，相当于 1000 个家用灯泡的能耗。这个项目有可能成为具有颠覆性的突破。”

为了创造这些原子级的超薄材料，通盖的团队正在开发新技术，以逐层原子的方式将它们直接生长到芯片表面。这种自下而上的方法比传统方法具有更高的精度，能够对每一层的结构和性能进行精细控制。该团队运用脉冲激光沉积（PLD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等先进方法来实现这一目标。在 PLD 中，强大的激光将固体材料爆破成等离子体，然后等离子体沉淀到加热的表面形成薄膜。而 PECVD 则使用带电气体来引发化学反应，从而在较低温度下构建层状结构。

通盖表示：“我们正在努力确保这些尖端材料能够在现实世界中得到实际应用。这不仅意味着要提高性能，还要使其更易于生长、测试和规模化生产。” 获得资助的项目正在助力将未来的技术引入当今的工厂。物质、传输与能量工程学院院长安东尼・瓦斯（Anthony Waas）表示，这类工作体现了富尔顿工程学院与应用材料公司合作的精神。他说：“这些项目着眼于未来，并具有明确的产业相关性。它们展示了亚利桑那州立大学的研究人员如何从概念走向实施，帮助解决当今微电子领域一些最紧迫的技术挑战。”

通盖实验室在原子尺度上所做的工作，可能会在全球范围内引发产业巨变。芯片也许正变得越来越小，但亚利桑那州立大学实验室里涌现出的创新，其意义却无比重大。想象一下，可穿戴设备一次充电可使用数天，AI 处理器拥有闪电般的速度，数据中心运行不再需要一个城市的电力，这些都有可能因为超薄 2D 材料的应用而成为现实。