可以替代硅的神奇材料

硅非常棒。从最初的原始台式计算机到袖珍型超级计算机（我们称为智能手机），电子计算的稳步发展已证明了硅卓越的价值，而它的发展已超过70年。如果我们恰到好处地配制硅，将其成型为晶体管，它既可以作为导体，也可以作为绝缘体，这取决于您所要经过的电荷，这是整个数字革命的基础，包括互联网以及从TikTok到互联网的一切都是基于其实现的。

但是硅的劣势正在凸显。微芯片的计算能力每两年可靠地翻一番，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。据我们了解，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奇妙的材料来代替旧的硅，或者至少与之结合以大大提高其硅的厚度和能力。

物理学、化学和工程学前沿的研究人员正在试验用于微芯片的奇异物质。它们包括石墨烯，黑磷，过渡金属二卤化物和氮化硼纳米片。总的来说，它们被称为2-D材料，因为它们是仅一个原子或两个厚度的平板。仅仅在20年前还不为人所知，现在它们已在实验室中定期制造，使用的方法包括平凡的搅拌机和棘手的高温气相沉积法。

项研究的某些结果已经可以在今天出售的设备中找到，但预计在未来十年中将出现更多，为我们的小工具带来新的功能。这些将包括新颖的功能，例如智能手机中的红外夜视模式，以及功能强大的功能，例如速度快10倍且功率效率更高的微芯片。这可以实现新形式的人机交互，例如适合日常眼镜的增强现实系统。

听起来像科幻小说吗？实际上，其中一些是。由于各种原因，这些二维材料的许多潜在应用不会在短期内实现，包括将它们与现有电子设备一起使用并集成到其中的难度，或者说每年制造数十亿个设备的难度。

为了寻求帮助，研究人员必须对所有这些潜在材料进行分类。一支小型军队正在努力，他们来自数十所大学以及 IBM ， 三星， TSMC，GlobalFoundries以及世界上几乎所有其他大型芯片设计或制造公司。他们正在寻找理想特性和可制造性的正确组合，即能够可靠地大量生产的能力。

所有二维材料的祖父都是石墨烯。如果我们能够像魔术校车一样收缩自己，并悬停在其表面上方，则石墨烯看起来就像是由碳原子制成的六边形的平面。石墨烯就像铅笔中的石墨，只是排列成平面晶体。

1940年代对它的存在进行了理论化，但是直到2004年，研究人员才对其进行了适当的合成和表征。（它为他们赢得了诺贝尔奖。）

石墨烯很强，并且具有导热的天赋，因此它已经找到了使智能手机及其电池保持凉爽以及延长运动装备寿命的应用。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。但是它确实具有许多独特的特性，使其与传统的硅微芯片结合使用时非常有用。

位于圣地亚哥的初创公司Cardea Bio已经开始销售这种组合系统。它的新传感器“生物门控晶体管”将生物活性分子（例如某些抗体）附着到石墨烯片上，而石墨烯又附着在硅片上。石墨烯不仅是一种很好的导体，而且对任何可能干扰其导电性的接触都非常敏感。

Cardea Bio首席执行官Michael Heltzen说：“生物学的美丽之处在于它是技术，它具有组织上的复杂性。” 他补充说，石墨烯可以将生物学的模拟世界转化为人类工程师和人类构建的系统可以操纵和收集数据的数字世界。

Heltzen先生说，Cardea Bio的系统目前正在搭配在研究人员使用的仪器中出售，这种芯片有一天可以扫描液体中的特定有机分子，即几乎所有大小不一的有机物都可以进入环境。该公司宣布，作为佐治亚理工学院的一个项目的一部分，该项目是由美国国防高级研究计划局资助的，它正在制造一种传感器，该传感器可以检测空气流中的冠状病毒颗粒。有人呼出病毒颗粒后不久，建筑物内的此类设备即可检测出SARS-CoV-2。如果可行，最终可能导致可以重新编程以检测其他病原体的系统。

德克萨斯大学奥斯汀分校研究二维材料的教授 Deji Akinwande表示，其他即将出现的石墨烯-硅团队合作包括超薄，超灵敏的相机。这是因为石墨烯可以使光传感器对光的敏感度比硅制成的传感器高一百倍。此外，由于石墨烯基材料可以在更宽的电磁频谱范围内“看到”，因此可以使微型，廉价，高分辨率的红外摄像机成为可能，这些摄像机可以装入智能手机。这项技术已经处于原型阶段，可以使我们的智能手机相机看到物体产生的热量。

此外，Akinwande博士及其同事预测，到本世纪中叶，二维材料对光的处理可能会让我们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。

Akinwande博士说，二维材料可能会产生巨大影响的另一个领域是将微芯片堆叠在一起，例如高层建筑。硅堆栈已经在闪存和移动设备芯片中很普遍，而这些设备和移动设备芯片中的空间非常宝贵，例如Apple Watch内部。

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说，这与仅堆叠硅层的方案相比有两个优势。首先是可以堆叠许多芯片而不会增加芯片的高度。第二个原因是某些二维材料（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。

在曼彻斯特大学，研究人员创建了一种超净设备，用于将二维材料堆叠在一起。由于这些材料很容易被空气损坏，因此所有这些操作都必须在真空室内进行。

将这种尖端的制造技术转化为可能在世界上最大的微芯片工厂（由台积电，三星和GlobalFoundries等公司运营的所谓“晶圆厂”）中发生的事情，是将二维材料带入现实的关键，Playground Global的风险投资家Peter Barrett表示，他投资于从事下一代微芯片及其材料研究的公司。

Peter Barrett先生说：“硅的成功，在于它的制造性。”

也许，从现在开始的数年或数十年后，一旦对某些新颖的2-D材料有了足够的了解，并花费了数十亿美元以全球半导体产业的规模推出这些材料，其中的一种或多种可能会取代硅Jariwala博士说，它在我们计算机内部的一些主要应用程序中都发挥了重要作用。

他补充说，一种这样的二维材料已经显示出了希望，因为它不同于石墨烯，它是一种良好的半导体，这种二维材料就是二硫化钼。它已被用于创建灵活的电子设备和简单的微处理器。而且，它作为潜在的硅替代品的适用性并不孤单：它是数百种（甚至数千种）有前途的材料的大家族中的一部分。与许多此类物质一样，它面临的一项挑战是制造和处理它们可能很困难。

Peter Barrett先生说，与此同时，现有硅芯片的新颖应用，例如量子计算和模仿人脑的“神经形态”计算，将推动工程师将硅推向绝对的物理极限，并在此过程中为未来的发展铺平道路。

从不断缩小的电子产品和破解代码到云计算和人工智能，对我们硬件的需求增长速度超过了当前技术的增长速度。他补充说，足够的需求加上实验室中足够的进展，最终可能证明，为了将二维材料带到中心舞台，我们所支付的巨额投资是合理的。