硅走到尽头了：替代材料争相涌现

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。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/zonghexinwen/2021/0331/634.html