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(yùn)動(dòng)。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(dú)特的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、力學(xué)特性和所蘊(yùn)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(diǎn)，在先進(jìn)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(jì)劃”等由政府主導(dǎo)的重大科技工程。以上事實(shí)說明了二維材料在“后摩爾定律”時(shí)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(diǎn)

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(gè)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(shí)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(gè)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(jìn)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(tuán)隊(duì)首次從實(shí)驗(yàn)上利用雙層轉(zhuǎn)角石墨烯在“魔角”附近的超晶格實(shí)現(xiàn)對體系電子態(tài)的有效調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了從弱關(guān)聯(lián)體系到強(qiáng)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(gè)體系中且組分不變的情況下，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)變，對研究超導(dǎo)等強(qiáng)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(dòng)意義。此外，二維磁性材料的發(fā)現(xiàn)首次證實(shí)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jià)值也得到深入挖掘，并且取得重要進(jìn)展。例如：在二維材料合成制備方面，南京大學(xué)王欣然團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)劉開輝團(tuán)隊(duì)成功實(shí)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(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞團(tuán)隊(duì)和復(fù)旦大學(xué)周鵬團(tuán)隊(duì)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(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了納秒級的寫入及讀取速度，且開關(guān)比高達(dá)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(tuán)隊(duì)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(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了柔性襯底上集成度大于?1?000?且良品率達(dá)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(jìn)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(shí)驗(yàn)研究、工程技術(shù)研究等不同角度迅速全面推進(jìn)，在部分研究方向取得較大進(jìn)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(jī)制不成熟、效率低等方面。松山湖材料實(shí)驗(yàn)室針對上述問題，考慮到二維材料在“后摩爾定律”時(shí)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(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)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(jī)構(gòu)資助，累計(jì)獲得競爭性研究經(jīng)費(fèi)約?1?500?萬元人民幣。 

松山湖材料實(shí)驗(yàn)室二維材料研究方向與布局

松山湖材料實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)，具體是：二維材料的基礎(chǔ)物理、高通量計(jì)算與理性設(shè)計(jì)，二維材料規(guī)模化制備與極限表征，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(jì)算與理性設(shè)計(jì)

從理論角度出發(fā)，利用第一性原理、緊束縛近似及強(qiáng)關(guān)聯(lián)等理論計(jì)算方法開展基礎(chǔ)物理研究，探索摻雜和輸運(yùn)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(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。針對實(shí)驗(yàn)、技術(shù)及工程需求，通過高通量計(jì)算設(shè)計(jì)具有要求物性的材料體系。為實(shí)驗(yàn)觀測到奇異電學(xué)輸運(yùn)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)模化制備與極限表征。

材料的可控、低成本、規(guī)模化制備是其工程應(yīng)用的前提條件。現(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(diǎn)，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(shí)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(jī)制，實(shí)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(tuán)隊(duì)在這方面已經(jīng)取得可觀進(jìn)展：利用自主設(shè)計(jì)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(lán)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(lán)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(dú)特的多源設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)室。目前已完成?2?個(gè)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(bǔ)充、配合，可以實(shí)現(xiàn)對材料物性的全面測量，實(shí)現(xiàn)材料物性的全息解析。②建立極端條件電學(xué)輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)室。采用稀釋制冷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最低?10?mK?的低溫環(huán)境；結(jié)合超導(dǎo)磁體技術(shù)，達(dá)到最高?14?T?強(qiáng)磁場。在極端條件下二維材料體系中的電學(xué)輸運(yùn)現(xiàn)象和強(qiáng)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(dòng)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(gè)：①二維轉(zhuǎn)角體系中超導(dǎo)態(tài)等強(qiáng)關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)及拓?fù)鋺B(tài)的物理機(jī)制，體系中強(qiáng)弱關(guān)聯(lián)態(tài)的轉(zhuǎn)換機(jī)制；②二維磁性體系中磁有序態(tài)的建立及穩(wěn)定機(jī)制，磁有序態(tài)與載流子輸運(yùn)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(jī)制。

目前，二維材料研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在上述方向取得相應(yīng)研究進(jìn)展。例如：率先報(bào)道了在“2+2”轉(zhuǎn)角石墨烯體系中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)態(tài)及位移電場對強(qiáng)關(guān)聯(lián)態(tài)的調(diào)制作用；完成范德華磁性材料的文獻(xiàn)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)信息存儲、加工傳輸?shù)幕竟δ埽苿?dòng)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(tuán)隊(duì)開發(fā)了有機(jī)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(dá)到剝離材料的目的，然后利用有機(jī)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(jī)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(jī)性造成二維材料薄膜的褶皺、破裂等損壞。二維材料研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)展，可以穩(wěn)定實(shí)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(tuán)隊(duì)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(diǎn)，開發(fā)了以精細(xì)位移臺帶動(dòng)極細(xì)鎢針對二維材料進(jìn)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(shí)驗(yàn)室中得以成熟化應(yīng)用。目前，二維材料研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(jì)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(shí)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(dá)?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(shí)驗(yàn)室生長所得的二硫化鉬薄膜，實(shí)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(jī)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(dá)?1?518?個(gè)?·?cm?2，成品率高達(dá)?97%。此外，單個(gè)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(dá)到?1010，平均遷移率達(dá)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(jī)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(hù)的能帶結(jié)構(gòu)，提供高效的電荷-自旋轉(zhuǎn)換，從而提供強(qiáng)的自旋軌道力矩（SOT），進(jìn)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(diǎn)太陽能電池。金屬硫族化合物（CdSe、PbSe）、鈣鈦礦（FAPbX3）等無機(jī)半導(dǎo)體材料的尺寸小至其激子玻爾半徑時(shí)（5—10 nm）表現(xiàn)出多激子激發(fā)現(xiàn)象（已觀察到?1?個(gè)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(diǎn)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(qiáng)的光-物質(zhì)相互作用和豐富的光-電轉(zhuǎn)換機(jī)制，布局開發(fā)一批新型的光電功能器件，重點(diǎn)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(jī)制，如光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光熱效應(yīng)、激子增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)凝聚態(tài)物理取得基礎(chǔ)性突破的關(guān)鍵動(dòng)力。對二維轉(zhuǎn)角體系中強(qiáng)、弱關(guān)聯(lián)態(tài)的轉(zhuǎn)換過程及機(jī)制的研究正促進(jìn)人們對（高溫）超導(dǎo)等強(qiáng)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(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室借助發(fā)展粵港澳大灣區(qū)的國家戰(zhàn)略機(jī)遇，吸引了國內(nèi)外一批優(yōu)秀專家，組建的二維材料團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(shí)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(shí)情況，建議應(yīng)以松山湖材料實(shí)驗(yàn)室這樣的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)為落腳點(diǎn)，設(shè)立一系列二維材料主題大科學(xué)項(xiàng)目。以大科學(xué)項(xiàng)目為牽引，團(tuán)結(jié)國內(nèi)研究資源，使不同團(tuán)隊(duì)之間形成合力，完成共同目標(biāo)，推進(jìn)二維材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

（作者：張廣宇 松山湖材料實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室； 《中國科學(xué)院院刊》供稿）

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