中國網/中國發展門戶網訊 由于材料尺寸維度的限制，低維材料中電子只能在低維空間中自由運動。石墨烯、二硫化鉬、碳納米管、富勒烯等都是低維材料的典型代表，這些材料以其優異且獨特的電學、磁學、光學、力學特性和所蘊含的豐富物理現象，在世界范圍內占據了凝聚態物理等基礎學科領域中的重要地位。在當前半導體器件不斷小型化及柔性化的主流趨勢下，二維半導體材料由于其本身結構優勢及電學性質特點，在先進半導體的發展中有巨大潛力。國際半導體聯盟在“2015國際半導體技術路線圖”（ITRS）中明確指出，“在眾多的解決方案中，使用二維材料看起來是非常有前途的”。此外，基于二維材料的自旋電子學被列入歐盟“石墨烯旗艦計劃”等由政府主導的重大科技工程。以上事實說明了二維材料在“后摩爾定律”時代的半導體技術發展中的重要地位。 

全球二維材料研究熱點

自從石墨烯被發現以來，人們對二維材料的研究經歷了一個快速發展的過程。雖然從組分上來說，二維材料與其母體塊材完全一致，但兩者之間的性質迥異。例如：單層石墨烯是零禁帶寬度的半導體，而多層石墨卻是能帶交疊的半金屬；單層二硫化鉬有直接帶隙，因而有很高的發光效率，而多層二硫化鉬則具有間接帶隙。事實上，從最初的石墨烯到現在，二維材料已經發展成為一個包含大量不同性質、不同組分的材料體系。例如，超導體、金屬、半金屬、半導體、絕緣體、拓撲絕緣體等都已經在二維材料中被發現。

二維材料在基礎凝聚態物理研究方面的突破和進展。從基礎科研的角度，大量基于二維材料的基礎凝聚態物理研究取得重大突破。一些二維極限下的物理現象（如量子霍爾效應、量子反常霍爾效應等）得以被系統性觀測研究，二維極限下聲子、電子、自旋、能谷等之間的相互作用也被深刻認知。美國麻省理工學院?Pablo?團隊首次從實驗上利用雙層轉角石墨烯在“魔角”附近的超晶格實現對體系電子態的有效調控，實現了從弱關聯體系到強關聯體系的轉變，成功觀測到超導、關聯絕緣態等現象。這是首次在同一個體系中且組分不變的情況下，實現強、弱關聯的轉變，對研究超導等強關聯現象這一凝聚態物理的基本問題具有重大推動意義。此外，二維磁性材料的發現首次證實了嚴格二維極限下的長程磁有序態的穩定存在，證實了各向異性和長程相互作用在低維長程序的形成及穩定過程中的作用，進一步明確了?Mermin-Weigner?原理的適用條件。二維磁性材料結合了二維材料在器件小型化、集成化方面的優勢，以及磁性材料在自旋探測和操控方面的優勢，在高密度、低功耗自旋電子學發展中具有光明的前景。

二維材料在工程技術應用中的重要進展。二維材料在電子學、光電子學、催化、能量存儲、太陽能電池、傳感器、生物醫藥等方面的應用價值也得到深入挖掘，并且取得重要進展。例如：在二維材料合成制備方面，南京大學王欣然團隊和北京大學劉開輝團隊成功實現晶圓級二維材料單晶的生長制備，為二維材料的研究與應用奠定堅實的材料基礎。中國科學院物理研究所高鴻鈞團隊和復旦大學周鵬團隊在基于二維材料的浮柵存儲器的研究領域取得突破性進展，實現了納秒級的寫入及讀取速度，且開關比高達10，從而在性能上形成了對基于傳統半導體技術的存儲器件的絕對優勢。中國科學院物理研究所張廣宇團隊在基于二維材料的透明、柔性器件大規模制備工藝方面取得突破性進展，實現了柔性襯底上集成度大于?1?000?且良品率達到?97%。

目前，歐美各國及電子行業各大巨頭公司（如英特爾公司、IBM?公司、臺積電公司、三星公司等）都已在二維材料方向投入巨大研究力量，以期搶占研發高地，進行專利布局。中國研究人員在二維材料領域從理論研究、實驗研究、工程技術研究等不同角度迅速全面推進，在部分研究方向取得較大進展，少數領域處于世界領先水平；然而，在涉及到高精尖的科學問題等方面，與歐美國家相比仍有較大差距，主要表現為研究主題比較分散，研究內容缺乏深度，研究成果向產業化轉換機制不成熟、效率低等方面。松山湖材料實驗室針對上述問題，考慮到二維材料在“后摩爾定律”時代的巨大應用潛力，從基礎到應用全方位、全鏈條布局二維材料基礎及應用科學研究，于?2018?年建立了一支國際一流、國內領先的二維材料研究團隊。該團隊得到了科學技術部、廣東省科學技術廳、國家自然科學基金委員會、德國馬普學會等國內、外研究資助機構資助，累計獲得競爭性研究經費約?1?500?萬元人民幣。 

松山湖材料實驗室二維材料研究方向與布局

松山湖材料實驗室圍繞材料方面的需求和瓶頸，布局了“十大”研究方向，二維材料就是其中之一。圍繞二維材料研究的關鍵問題，實驗室布局了四大方向，涵蓋了從基礎科研到應用探索的關鍵節點，具體是：二維材料的基礎物理、高通量計算與理性設計，二維材料規模化制備與極限表征，二維體系中的奇異量子現象研究，基于二維材料的兼容工藝研發與原型器件探索。

方向?1：二維材料的基礎物理、高通量計算與理性設計

從理論角度出發，利用第一性原理、緊束縛近似及強關聯等理論計算方法開展基礎物理研究，探索摻雜和輸運性質、電子關聯作用導致的超導態、鐵電態、鐵磁態、非常規量子霍爾效應、廣義魏格納晶體態等強關聯現象。針對實驗、技術及工程需求，通過高通量計算設計具有要求物性的材料體系。為實驗觀測到奇異電學輸運行為、光學性質、磁學狀態等提供理論解析模型。

方向?2：二維材料規模化制備與極限表征。

材料的可控、低成本、規模化制備是其工程應用的前提條件。現階段以二硫化鉬為代表的二維半導體材料仍然面臨材料制備方面的桎梏。根據材料物性的特點，選取合適的生長方法（如化學氣相沉積、化學氣相輸送、液相剝離等），掌握影響制備規律和結構控制的關鍵因素，實現對其結晶質量和異質結構的綜合控制；從原子尺度闡明二維材料的生長機制，實現高質量、大尺寸高產率的二維材料規模化制備，為后續量子現象研究和新型器件的構建提供材料保障。二維材料研究團隊在這方面已經取得可觀進展：利用自主設計搭建的化學氣相沉積設備，先后突破氧化硅襯底上多晶薄膜生長、藍寶石襯底上大晶粒外延生長、2?英寸及?4?英寸晶圓級二硫化鉬生長等技術。目前，采用立式生長方法在藍寶石襯底上成功外延制備了?4?英寸高質量連續單層二硫化鉬晶圓，所外延的高質量薄膜由高定向（0°?和?60°）的大晶粒（平均晶粒尺寸大于?100?μm）拼接而成。在這種高定向的薄膜中（圖?1），高分辨透射電子顯微鏡觀測到了近乎完美的?4|4E?型晶界。得益于獨特的多源設計，所制備晶圓的電子學質量在國際上處于領先水平。

在極限表征方面，建設了國際一流開放共享型表征實驗室。目前已完成?2?個方面極限表征設備的布局：①將具有不同材料表征特性的技術聯用。如：掃描隧道顯微鏡（STM）-q-Plus?連用、掃描隧道顯微鏡-超快太赫茲激光聯用、角分辨光電子能譜（ARPES）-光發射電子顯微鏡（PEEM）聯用等。通過以上方案，充分發揮各表征手段的優勢，使其互相補充、配合，可以實現對材料物性的全面測量，實現材料物性的全息解析。②建立極端條件電學輸運實驗室。采用稀釋制冷技術，實現最低?10?mK?的低溫環境；結合超導磁體技術，達到最高?14?T?強磁場。在極端條件下二維材料體系中的電學輸運現象和強關聯效應下的新奇物態。

方向?3：二維體系中的奇異量子現象研究

以解決凝聚態物理中的基礎問題為驅動力，以二維材料、范德華異質結、二維超晶格材料為基礎，從二維凝聚態體系及電子、光子、聲子、磁子行為及相互作用角度出發，探索和調控二維極限下各種奇異量子現象。具體研究方向有?3?個：①二維轉角體系中超導態等強關聯絕緣態及拓撲態的物理機制，體系中強弱關聯態的轉換機制；②二維磁性體系中磁有序態的建立及穩定機制，磁有序態與載流子輸運的關聯耦合過程；構筑范德華磁性異質結，探索界面耦合作用的發生過程，調控異質結各組分物性；③光子與二維凝聚態材料相互作用中的極化激元產生機制。

目前，二維材料研究團隊已經在上述方向取得相應研究進展。例如：率先報道了在“2+2”轉角石墨烯體系中的強關聯態及位移電場對強關聯態的調制作用；完成范德華磁性材料的文獻調研及總結工作，對二維磁性發展狀況形成整體把控等方面。通過該方向的研究，在解決凝聚態物理中強關聯體系的基礎物理的過程中，可以發掘新的自由度及調控手段；通過對體系物態的調控實現信息存儲、加工傳輸的基本功能，推動信息技術更新換代。

方向?4：基于二維材料的兼容工藝研發與原型器件探索

二維材料電子工程應用的關鍵在于實現和傳統硅半導體兼容的加工工藝開發。在此前提下，二維材料可以發揮在電子器件、自旋電子器件、柔性器件、光電子器件、能源器件等方面的優勢，與硅器件集成實現特殊領域，甚至通用信息處理領域的優勢。因此，二維材料的兼容性工藝研發與基于二維材料的原型器件探索是重點研究內容。

兼容性工藝研發主要體現在大面積二維材料轉移和加工方面。①二維材料轉移方面。二維材料研究團隊開發了有機高分子薄膜輔助的水浸工藝。該工藝主要利用二維材料與襯底的親水性差異，通過水分子侵入材料與襯底之間的界面達到剝離材料的目的，然后利用有機高分子薄膜作為支撐將二維材料轉移到目標位置。但是，該工藝中二維材料與水和有機高分子薄膜的直接接觸將會影響二維材料的電學質量；且該方法可控性較差，會隨機性造成二維材料薄膜的褶皺、破裂等損壞。二維材料研究團隊集中力量布局可靠、低成本、兼容性的二維材料轉移技術。目前已取得可觀進展，可以穩定實現?4?英寸二維材料薄膜無損轉移。②微加工工藝方面。二維材料研究團隊突破了傳統微加工工藝采用激光、電子束或離子束曝光刻蝕的思路。針對二維材料的特點，開發了以精細位移臺帶動極細鎢針對二維材料進行無膠直寫圖形化加工的工藝（圖?2）。該工藝操作簡單、無污染、加工速度快，已經在實驗室中得以成熟化應用。目前，二維材料研究團隊正在布局研發分辨率更高的直接加工工藝。

在基于二維材料的原型器件探索方面。二維材料研究團隊布局了超短溝道器件、柔性電子器件、光電探測器件、自旋電子學器件、能源器件等研究方向。①超短溝道器件方面。針對器件結構中的溝道、電極、及柵介質等核心材料，設計了基于全二維材料構筑的新型超短溝道晶體管器件，溝道間隙尺寸在?3?nm?以上可控，且器件性能不受短溝道效應影響。實現關態電流小于?0.3?pA·?μm?1，開關比大于?107，遷移率可達?30?cm2·V?1·s?1，亞閾值擺幅～93?mV?·?dec?1，漏致勢壘降低＜0.425 V?·?V?1，電流密度大于?500?μA?·?μm?1。②柔性電子器件方面。基于實驗室生長所得的二硫化鉬薄膜，實現了大面積二硫化鉬柔性晶體管和邏輯器件（如反相器、或非門、與非門、與門、靜態隨機存儲器、五環振蕩器等）的制作（圖?3），器件表現出優異的功能特性。其中，柔性場效應晶體管器件密度可達?1?518?個?·?cm?2，成品率高達?97%。此外，單個器件還表現出優異的電學性能和柔韌性，開關比達到?1010，平均遷移率達到?55?cm2?·?V?1?·?s?1，平均電流密度為?35?μA?·?μm?1。     ③自旋電子器件方面。主要集中于基于二維拓撲材料體系開發新型的自旋軌道力矩型磁隨機存儲器（SOT-MRAM）。基于二維拓撲材料體系，如拓撲絕緣體（(BiSb)2Te3、Bi2Se3、SnTe)）和外爾半金屬（WTe2），通過拓撲保護的能帶結構，提供高效的電荷-自旋轉換，從而提供強的自旋軌道力矩（SOT），進而降低?SOT-MRAM?的寫入電流密度和器件功耗。④能源器件方面。主要集中精力研究量子點太陽能電池。金屬硫族化合物（CdSe、PbSe）、鈣鈦礦（FAPbX3）等無機半導體材料的尺寸小至其激子玻爾半徑時（5—10 nm）表現出多激子激發現象（已觀察到?1?個光子可激發超過?3?對電子空穴對）。基于這類材料的量子點太陽能電池理論上可以突破肖特基效率極限，獲得遠高于傳統硅基太陽能電池的光電轉化效率。⑤光電器件方面。考慮到二維材料具有強的光-物質相互作用和豐富的光-電轉換機制，布局開發一批新型的光電功能器件，重點關注光探測器。通過光電流空間成像、脈沖光響應、高頻光電流眼圖測試等測試表征手段，研究基于二維層狀材料及其異質結構的光探測器中光電轉換機制，如光電導效應、光伏效應、光熱效應、激子增強效應等，以提高器件的光增益，拓寬光探測范圍。 

二維材料的研究已經在世界范圍內成為材料領域的主流研究方向之一。從基礎物理角度，二維材料是實驗觀測低維凝聚態中奇異物態的理想體系。對奇異物態的解析是推動凝聚態物理取得基礎性突破的關鍵動力。對二維轉角體系中強、弱關聯態的轉換過程及機制的研究正促進人們對（高溫）超導等強關聯體系的理解。在工程應用方面，與現有硅半導體工藝兼容的二維材料微加工工藝是實現其電子學應用的前提條件；充分利用二維材料在結構、性能等方面優勢，開發新型器件，實現與傳統半導體器件的比較優勢是二維材料工程化應用的決定性因素。

二維材料可以帶動新一代高密度低功耗存儲、高效光伏、高靈敏度光電探測、超短溝道器件及自旋電子學器件等領域發展。松山湖材料實驗室借助發展粵港澳大灣區的國家戰略機遇，吸引了國內外一批優秀專家，組建的二維材料團隊針對二維材料基礎研究與工程應用中的關鍵問題、主要瓶頸集中力量進行攻關布局。相關研究成果在國際上產生重大影響，這對提前布局我國前沿半導體技術，避免歐美國家的專利封鎖，實現半導體產業彎道超車起到重要作用。

針對目前我國二維材料相關領域研究目標不明確，研究方向存在交叉重疊，研究資源較為分散的現實情況，建議應以松山湖材料實驗室這樣的新型研發機構為落腳點，設立一系列二維材料主題大科學項目。以大科學項目為牽引，團結國內研究資源，使不同團隊之間形成合力，完成共同目標，推進二維材料產業化進程。

（作者：張廣宇 松山湖材料實驗室、中國科學院物理研究所、北京凝聚態物理國家研究中心、中國科學院大學物理科學學院；龍根、林生晃、冼樂德、姜巖、吳昊、王碩培、李娜，松山湖材料實驗室； 《中國科學院院刊》供稿）

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