陈根：信息化社会的基石背后，材料正在过渡和更替

文/陈根
从口袋里的智能手机到为互联网“供电”的庞大数据中心，从电动踏板车到超音速飞机，从起搏器到天气预报超级计算机。这其中的每一个设备内部，无论是广为人知还是鲜为人知，都依托于一项微小技术，那就是半导体。而作为半导体重要材料的硅，则在其中扮演了无可替代的重要作用。
在正在到来的万物互联时代，芯片已然成为了一切智能设备的核心。半导体器件是现代计算的基本组成部分，被称为晶体管的半导体设备是在计算机内部运行计算的微型电子开关。
美国科学家于1947年建造了第一个硅晶体管，在此之前，计算机理是由真空管完成的，该真空管体积大，速度慢。直至后来，硅改变了一切。
硅打开了半导体材料的新大门，使一大批半导体元器件变得越来越小，这种变化逐年发生。半导体元器件变得越来越小的同时，也在变得越来越智能。而晶体管的小型化，使人们能够将大型运算设备安装在微型芯片上。
创新的速度是空前的，芯片遵循摩尔定律的预测以稳定的速度被小型化。早期晶体管肉眼可见，但是到了现在，一个很小的芯片就可以容纳数十亿个晶体管。可以说，电子计算的稳步发展已证明了硅卓越的价值，而其发展也已超过70年。
但是硅的劣势正在凸显。一直以来，微芯片的计算能力都在以每两年翻一番的速度前进着，这就是所谓的摩尔定律（Moore’s Law），但这个运行了数十年的定律一直在放缓，并且可能很快就会终结。
就目前而言，使用当前的方法，将元素蚀刻到最小尺寸小于约3纳米的硅（如晶体管）中几乎是不可能的。（从一个角度看，一个3纳米的膜厚度可以低至15个原子。）因此，技术行业正在寻找其他可与硅相媲的材料，或者至少与之结合以大大提高其硅的厚度和能力的材料。
不论是物理学、化学还是工程学前沿的研究人员，都正在试验用于微芯片的可替代材料，包括石墨烯，黑磷，过渡金属二卤化物和氮化硼纳米片。这些材料也被称为2-D材料，因为这些材料是仅一个原子或两个厚度的平板。
由于二维材料只有一个原子或两个厚度，因此它们可以在硅微芯片上生长，也可以分别生长，然后小心放置。宾夕法尼亚大学专门研究纳米技术的工程学教授Deep Jariwala认为，这与仅堆叠硅层的方案相比有两个优势。一是可以堆叠许多芯片而不会增加芯片的高度。二是某些二维材料（尤其是石墨烯）的散热效果非常好，工程师可以使用它们来制造高楼板，其运行速度比传统微芯片还要快，而不会烧坏自己。
此外，二维材料对光具有独特的敏感度，对于其的处理还将使得当前的设备进行更有意义的升级。光将是微芯片与计算机内部其他组件之间以及内部以及之间的较快，更有效的通信方式，从而加快了电子在微芯片和通信网络内部被光子替换的速度。
特别值得一提的是，所有二维材料的祖父都是石墨烯。石墨烯具有导热的特性，这使其能够成功应用于智能手机及其电池保持凉爽以及延长运动装备寿命。由于其特性更类似于金或铜等其他导体，因此不太可能替代硅。但是石墨烯所具有的其他独特的特性，使其与传统的硅微芯片结合使用时非常有用。
半导体是电子产品的核心，半导体和被动元件以及模组器件通过集成电路板连接，构成了智能手机、PC等电子产品的核心部件，承担信息的载体和传输功能，成为信息化社会的基石。很大程度上，半导体的突破决定了当前社会的进步，这也让二维材料的寻找与研发具有更重要的使命。