中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)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(yōu)異且獨特的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、力學(xué)特性和所蘊含的豐富物理現(xiàn)象，在世界范圍內(nèi)占據(jù)了凝聚態(tài)物理等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域中的重要地位。在當(dāng)前半導(dǎo)體器件不斷小型化及柔性化的主流趨勢下，二維半導(dǎo)體材料由于其本身結(jié)構(gòu)優(yōu)勢及電學(xué)性質(zhì)特點，在先進半導(dǎo)體的發(fā)展中有巨大潛力。國際半導(dǎo)體聯(lián)盟在“2015國際半導(dǎo)體技術(shù)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(xué)被列入歐盟“石墨烯旗艦計劃”等由政府主導(dǎo)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(dǎo)體技術(shù)發(fā)展中的重要地位。 

全球二維材料研究熱點

自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，人們對二維材料的研究經(jīng)歷了一個快速發(fā)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(zhì)迥異。例如：單層石墨烯是零禁帶寬度的半導(dǎo)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(fā)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(xiàn)在，二維材料已經(jīng)發(fā)展成為一個包含大量不同性質(zhì)、不同組分的材料體系。例如，超導(dǎo)體、金屬、半金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、拓?fù)浣^緣體等都已經(jīng)在二維材料中被發(fā)現(xiàn)。

二維材料在基礎(chǔ)凝聚態(tài)物理研究方面的突破和進展。從基礎(chǔ)科研的角度，大量基于二維材料的基礎(chǔ)凝聚態(tài)物理研究取得重大突破。一些二維極限下的物理現(xiàn)象（如量子霍爾效應(yīng)、量子反常霍爾效應(yīng)等）得以被系統(tǒng)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(rèn)知。美國麻省理工學(xué)院?Pablo?團隊首次從實驗上利用雙層轉(zhuǎn)角石墨烯在“魔角”附近的超晶格實現(xiàn)對體系電子態(tài)的有效調(diào)控，實現(xiàn)了從弱關(guān)聯(lián)體系到強關(guān)聯(lián)體系的轉(zhuǎn)變，成功觀測到超導(dǎo)、關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)等現(xiàn)象。這是首次在同一個體系中且組分不變的情況下，實現(xiàn)強、弱關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)變，對研究超導(dǎo)等強關(guān)聯(lián)現(xiàn)象這一凝聚態(tài)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(fā)現(xiàn)首次證實了嚴(yán)格二維極限下的長程磁有序態(tài)的穩(wěn)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(wěn)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(jié)合了二維材料在器件小型化、集成化方面的優(yōu)勢，以及磁性材料在自旋探測和操控方面的優(yōu)勢，在高密度、低功耗自旋電子學(xué)發(fā)展中具有光明的前景。

二維材料在工程技術(shù)應(yīng)用中的重要進展。二維材料在電子學(xué)、光電子學(xué)、催化、能量存儲、太陽能電池、傳感器、生物醫(yī)藥等方面的應(yīng)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(xué)王欣然團隊和北京大學(xué)劉開輝團隊成功實現(xiàn)晶圓級二維材料單晶的生長制備，為二維材料的研究與應(yīng)用奠定堅實的材料基礎(chǔ)。中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞團隊和復(fù)旦大學(xué)周鵬團隊在基于二維材料的浮柵存儲器的研究領(lǐng)域取得突破性進展，實現(xiàn)了納秒級的寫入及讀取速度，且開關(guān)比高達10，從而在性能上形成了對基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的存儲器件的絕對優(yōu)勢。中國科學(xué)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(guī)模制備工藝方面取得突破性進展，實現(xiàn)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(yè)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(fā)高地，進行專利布局。中國研究人員在二維材料領(lǐng)域從理論研究、實驗研究、工程技術(shù)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(shù)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平；然而，在涉及到高精尖的科學(xué)問題等方面，與歐美國家相比仍有較大差距，主要表現(xiàn)為研究主題比較分散，研究內(nèi)容缺乏深度，研究成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)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(yīng)用潛力，從基礎(chǔ)到應(yīng)用全方位、全鏈條布局二維材料基礎(chǔ)及應(yīng)用科學(xué)研究，于?2018?年建立了一支國際一流、國內(nèi)領(lǐng)先的二維材料研究團隊。該團隊得到了科學(xué)技術(shù)部、廣東省科學(xué)技術(shù)廳、國家自然科學(xué)基金委員會、德國馬普學(xué)會等國內(nèi)、外研究資助機構(gòu)資助，累計獲得競爭性研究經(jīng)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(guān)鍵問題，實驗室布局了四大方向，涵蓋了從基礎(chǔ)科研到應(yīng)用探索的關(guān)鍵節(jié)點，具體是：二維材料的基礎(chǔ)物理、高通量計算與理性設(shè)計，二維材料規(guī)?；苽渑c極限表征，二維體系中的奇異量子現(xiàn)象研究，基于二維材料的兼容工藝研發(fā)與原型器件探索。

方向?1：二維材料的基礎(chǔ)物理、高通量計算與理性設(shè)計

從理論角度出發(fā)，利用第一性原理、緊束縛近似及強關(guān)聯(lián)等理論計算方法開展基礎(chǔ)物理研究，探索摻雜和輸運性質(zhì)、電子關(guān)聯(lián)作用導(dǎo)致的超導(dǎo)態(tài)、鐵電態(tài)、鐵磁態(tài)、非常規(guī)量子霍爾效應(yīng)、廣義魏格納晶體態(tài)等強關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。針對實驗、技術(shù)及工程需求，通過高通量計算設(shè)計具有要求物性的材料體系。為實驗觀測到奇異電學(xué)輸運行為、光學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)狀態(tài)等提供理論解析模型。

方向?2：二維材料規(guī)?；苽渑c極限表征。

材料的可控、低成本、規(guī)?；苽涫瞧涔こ虘?yīng)用的前提條件?，F(xiàn)階段以二硫化鉬為代表的二維半導(dǎo)體材料仍然面臨材料制備方面的桎梏。根據(jù)材料物性的特點，選取合適的生長方法（如化學(xué)氣相沉積、化學(xué)氣相輸送、液相剝離等），掌握影響制備規(guī)律和結(jié)構(gòu)控制的關(guān)鍵因素，實現(xiàn)對其結(jié)晶質(zhì)量和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的綜合控制；從原子尺度闡明二維材料的生長機制，實現(xiàn)高質(zhì)量、大尺寸高產(chǎn)率的二維材料規(guī)模化制備，為后續(xù)量子現(xiàn)象研究和新型器件的構(gòu)建提供材料保障。二維材料研究團隊在這方面已經(jīng)取得可觀進展：利用自主設(shè)計搭建的化學(xué)氣相沉積設(shè)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(shù)。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(zhì)量連續(xù)單層二硫化鉬晶圓，所外延的高質(zhì)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(shè)計，所制備晶圓的電子學(xué)質(zhì)量在國際上處于領(lǐng)先水平。

在極限表征方面，建設(shè)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(shè)備的布局：①將具有不同材料表征特性的技術(shù)聯(lián)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(lián)用、角分辨光電子能譜（ARPES）-光發(fā)射電子顯微鏡（PEEM）聯(lián)用等。通過以上方案，充分發(fā)揮各表征手段的優(yōu)勢，使其互相補充、配合，可以實現(xiàn)對材料物性的全面測量，實現(xiàn)材料物性的全息解析。②建立極端條件電學(xué)輸運實驗室。采用稀釋制冷技術(shù)，實現(xiàn)最低?10?mK?的低溫環(huán)境；結(jié)合超導(dǎo)磁體技術(shù)，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(xué)輸運現(xiàn)象和強關(guān)聯(lián)效應(yīng)下的新奇物態(tài)。

方向?3：二維體系中的奇異量子現(xiàn)象研究

以解決凝聚態(tài)物理中的基礎(chǔ)問題為驅(qū)動力，以二維材料、范德華異質(zhì)結(jié)、二維超晶格材料為基礎(chǔ)，從二維凝聚態(tài)體系及電子、光子、聲子、磁子行為及相互作用角度出發(fā)，探索和調(diào)控二維極限下各種奇異量子現(xiàn)象。具體研究方向有?3?個：①二維轉(zhuǎn)角體系中超導(dǎo)態(tài)等強關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)及拓?fù)鋺B(tài)的物理機制，體系中強弱關(guān)聯(lián)態(tài)的轉(zhuǎn)換機制；②二維磁性體系中磁有序態(tài)的建立及穩(wěn)定機制，磁有序態(tài)與載流子輸運的關(guān)聯(lián)耦合過程；構(gòu)筑范德華磁性異質(zhì)結(jié)，探索界面耦合作用的發(fā)生過程，調(diào)控異質(zhì)結(jié)各組分物性；③光子與二維凝聚態(tài)材料相互作用中的極化激元產(chǎn)生機制。

目前，二維材料研究團隊已經(jīng)在上述方向取得相應(yīng)研究進展。例如：率先報道了在“2+2”轉(zhuǎn)角石墨烯體系中的強關(guān)聯(lián)態(tài)及位移電場對強關(guān)聯(lián)態(tài)的調(diào)制作用；完成范德華磁性材料的文獻調(diào)研及總結(jié)工作，對二維磁性發(fā)展?fàn)顩r形成整體把控等方面。通過該方向的研究，在解決凝聚態(tài)物理中強關(guān)聯(lián)體系的基礎(chǔ)物理的過程中，可以發(fā)掘新的自由度及調(diào)控手段；通過對體系物態(tài)的調(diào)控實現(xiàn)信息存儲、加工傳輸?shù)幕竟δ?，推動信息技術(shù)更新?lián)Q代。

方向?4：基于二維材料的兼容工藝研發(fā)與原型器件探索

二維材料電子工程應(yīng)用的關(guān)鍵在于實現(xiàn)和傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體兼容的加工工藝開發(fā)。在此前提下，二維材料可以發(fā)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(yōu)勢，與硅器件集成實現(xiàn)特殊領(lǐng)域，甚至通用信息處理領(lǐng)域的優(yōu)勢。因此，二維材料的兼容性工藝研發(fā)與基于二維材料的原型器件探索是重點研究內(nèi)容。

兼容性工藝研發(fā)主要體現(xiàn)在大面積二維材料轉(zhuǎn)移和加工方面。①二維材料轉(zhuǎn)移方面。二維材料研究團隊開發(fā)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(zhuǎn)移到目標(biāo)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(xué)質(zhì)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(zhuǎn)移技術(shù)。目前已取得可觀進展，可以穩(wěn)定實現(xiàn)?4?英寸二維材料薄膜無損轉(zhuǎn)移。②微加工工藝方面。二維材料研究團隊突破了傳統(tǒng)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(fā)了以精細(xì)位移臺帶動極細(xì)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(jīng)在實驗室中得以成熟化應(yīng)用。目前，二維材料研究團隊正在布局研發(fā)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(xué)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(jié)構(gòu)中的溝道、電極、及柵介質(zhì)等核心材料，設(shè)計了基于全二維材料構(gòu)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(yīng)影響。實現(xiàn)關(guān)態(tài)電流小于?0.3?pA·?μm?1，開關(guān)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?；趯嶒炇疑L所得的二硫化鉬薄膜，實現(xiàn)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(tài)隨機存儲器、五環(huán)振蕩器等）的制作（圖?3），器件表現(xiàn)出優(yōu)異的功能特性。其中，柔性場效應(yīng)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(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能和柔韌性，開關(guān)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?fù)洳牧象w系開發(fā)新型的自旋軌道力矩型磁隨機存儲器（SOT-MRAM）。基于二維拓?fù)洳牧象w系，如拓?fù)浣^緣體（(BiSb)2Te3、Bi2Se3、SnTe)）和外爾半金屬（WTe2），通過拓?fù)浔Ｗo的能帶結(jié)構(gòu)，提供高效的電荷-自旋轉(zhuǎn)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(dǎo)體材料的尺寸小至其激子玻爾半徑時（5—10 nm）表現(xiàn)出多激子激發(fā)現(xiàn)象（已觀察到?1?個光子可激發(fā)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(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅基太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。⑤光電器件方面。考慮到二維材料具有強的光-物質(zhì)相互作用和豐富的光-電轉(zhuǎn)換機制，布局開發(fā)一批新型的光電功能器件，重點關(guān)注光探測器。通過光電流空間成像、脈沖光響應(yīng)、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(zhì)結(jié)構(gòu)的光探測器中光電轉(zhuǎn)換機制，如光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光熱效應(yīng)、激子增強效應(yīng)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(jīng)在世界范圍內(nèi)成為材料領(lǐng)域的主流研究方向之一。從基礎(chǔ)物理角度，二維材料是實驗觀測低維凝聚態(tài)中奇異物態(tài)的理想體系。對奇異物態(tài)的解析是推動凝聚態(tài)物理取得基礎(chǔ)性突破的關(guān)鍵動力。對二維轉(zhuǎn)角體系中強、弱關(guān)聯(lián)態(tài)的轉(zhuǎn)換過程及機制的研究正促進人們對（高溫）超導(dǎo)等強關(guān)聯(lián)體系的理解。在工程應(yīng)用方面，與現(xiàn)有硅半導(dǎo)體工藝兼容的二維材料微加工工藝是實現(xiàn)其電子學(xué)應(yīng)用的前提條件；充分利用二維材料在結(jié)構(gòu)、性能等方面優(yōu)勢，開發(fā)新型器件，實現(xiàn)與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的比較優(yōu)勢是二維材料工程化應(yīng)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(xué)器件等領(lǐng)域發(fā)展。松山湖材料實驗室借助發(fā)展粵港澳大灣區(qū)的國家戰(zhàn)略機遇，吸引了國內(nèi)外一批優(yōu)秀專家，組建的二維材料團隊針對二維材料基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問題、主要瓶頸集中力量進行攻關(guān)布局。相關(guān)研究成果在國際上產(chǎn)生重大影響，這對提前布局我國前沿半導(dǎo)體技術(shù)，避免歐美國家的專利封鎖，實現(xiàn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)彎道超車起到重要作用。

針對目前我國二維材料相關(guān)領(lǐng)域研究目標(biāo)不明確，研究方向存在交叉重疊，研究資源較為分散的現(xiàn)實情況，建議應(yīng)以松山湖材料實驗室這樣的新型研發(fā)機構(gòu)為落腳點，設(shè)立一系列二維材料主題大科學(xué)項目。以大科學(xué)項目為牽引，團結(jié)國內(nèi)研究資源，使不同團隊之間形成合力，完成共同目標(biāo)，推進二維材料產(chǎn)業(yè)化進程。

（作者：張廣宇 松山湖材料實驗室、中國科學(xué)院物理研究所、北京凝聚態(tài)物理國家研究中心、中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)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(xué)院院刊》供稿）

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