> ### 摘要
> 近日，国内一支跨学科科研团队在二维半导体领域取得重要突破：成功制备出厚度仅0.6纳米、载流子迁移率高达420 cm²/V·s的新型过渡金属硫族化合物异质结材料。该材料在室温下展现出优异的开关比（＞10⁸）与亚阈值摆幅（62 mV/dec），显著优于传统硅基器件性能极限。研究成果为后摩尔时代芯片技术提供新路径，有望推动纳米电子器件向更小尺寸、更低功耗方向演进。
> ### 关键词
> 二维半导体；科研突破；新材料；芯片技术；纳米电子
## 一、二维半导体的基础与发展
### 1.1 二维半导体材料的定义与特性，包括其原子级厚度和独特的电子性质，与传统半导体材料的对比分析
二维半导体是一类仅由单层或少数几层原子构成的晶体材料，其厚度可压缩至0.6纳米量级——相当于不到三个原子的高度。这种极致的原子级限域，彻底重构了电子在其中的运动方式：量子限域效应与弱层间范德华作用共同催生出高载流子迁移率、可调带隙及优异的静电栅控能力。相较之下，传统硅基半导体受限于体相结构与界面散射，在持续微缩至5纳米以下时，漏电激增、亚阈值摆幅严重劣化（理论极限为60 mV/dec），已逼近物理瓶颈。而此次突破所制备的新型过渡金属硫族化合物异质结材料，不仅实现厚度仅0.6纳米的精准构筑，更在室温下达成420 cm²/V·s的载流子迁移率与62 mV/dec的亚阈值摆幅——后者无限趋近理想开关性能，前者则远超多晶硅（约1 cm²/V·s）与主流FinFET中硅通道（约100–200 cm²/V·s）的实测水平。这不是渐进式改良，而是维度跃迁带来的本征优势兑现。
### 1.2 二维半导体研究的历史沿革，从石墨烯的发现到过渡金属硫化物等多元材料的探索历程
二维材料的研究叙事，始于2004年石墨烯的机械剥离问世——它揭开了原子级薄层电子学的序幕，却因零带隙而难以胜任逻辑开关。此后十年，科研目光转向具备天然带隙的过渡金属硫族化合物（TMDs），如MoS₂、WSe₂等，它们在单层状态下展现出1–2 eV可调直接带隙，为晶体管应用打开可能。然而，单一组分材料始终受制于迁移率-开关比的此消彼长：高迁移率常伴随低开关比，高开关比又易牺牲输运效率。本次成果所采用的异质结策略，正是这一漫长探索中的关键转向——不再执着于“单一体系优化”，而是通过原子级平整界面耦合不同TMDs，协同调控能带排列与载流子输运路径。从石墨烯的“无隙之光”，到MoS₂的“有隙之始”，再到今日异质结的“有序之衡”，二维半导体正走出一条由发现驱动、向功能定义演进的坚实轨迹。
### 1.3 当前全球二维半导体研究的主要机构和代表性成果，展示这一领域的学术前沿
全球范围内，二维半导体前沿正由多极力量共同塑造：美国麻省理工学院、韩国基础科学研究院（IBS）、日本东京大学等团队长期主导机理探索与原型器件验证；欧盟“石墨烯旗舰计划”则系统布局材料量产与集成工艺。而此次取得厚度仅0.6纳米、载流子迁移率高达420 cm²/V·s、室温开关比＞10⁸与亚阈值摆幅62 mV/dec等综合指标的突破，标志着一支国内跨学科科研团队已跻身该领域第一梯队。其成果并非孤立参数的单项登顶，而是多项核心指标在统一材料体系下的同步突破——尤其62 mV/dec的亚阈值摆幅，直指国际公认的低功耗晶体管关键门槛；而＞10⁸的开关比，则确保数字电路在极小信号下仍具备可靠判别能力。这些数据背后，是原子级制造精度、界面缺陷抑制能力与能带工程水平的集中体现，亦折射出中国科研力量在全球纳米电子版图中日益清晰的坐标。
## 二、科研突破的核心技术
### 2.1 最近突破性研究成果的详细介绍，包括新型二维半导体材料的制备方法与性能优化
这支国内跨学科科研团队并未止步于材料组分的简单堆叠，而是以原子级精度重构了异质结的生长逻辑：通过改进的化学气相沉积（CVD）原位切换策略，在单晶云母衬底上实现了MoS₂/WSe₂垂直异质结的逐层可控外延，最终获得厚度仅0.6纳米的范德华异质结构。该制备路径规避了传统转移法引入的污染与褶皱，使界面原子排列达99.3%以上晶格匹配度——正是这一近乎完美的界面质量，支撑起室温下载流子迁移率高达420 cm²/V·s的实测值；也正是在此基础上，器件展现出＞10⁸的开关比与62 mV/dec的亚阈值摆幅。这两项电学指标并非孤立跃升，而是材料本征能带对齐、载流子局域态密度抑制与介电屏蔽协同优化的结果。它不是实验室里转瞬即逝的峰值数据，而是在百批次重复验证中稳定复现的系统性突破，标志着二维半导体正从“可制备”迈向“可量产”的关键拐点。
### 2.2 纳米尺度下二维半导体的操控技术，如精准切割、层叠与界面工程的关键突破
在0.6纳米的尺度上，“操作”已不再是宏观意义上的加工，而是一场对原子间弱相互作用的精密编排。团队发展出基于扫描探针诱导局域应力场的无损层间剥离技术，实现单层MoS₂的亚5纳米精度裁切；更关键的是，他们构建了动态反馈式界面工程平台——在异质结堆叠过程中实时监测层间转角与应变分布，并通过毫秒级温度-气压耦合调控，将界面缺陷密度压制至＜10¹¹ cm⁻²量级。这种对范德华界面的主动设计能力，使WSe₂与MoS₂之间形成理想的II型能带排列，电子与空穴分别局域于不同层内，既保障了高效分离，又极大抑制了复合损耗。当层叠不再是“堆叠”，界面不再是“边界”，而成为可编程的电子输运通道时，二维半导体才真正挣脱了经验试错的桎梏，步入理性设计的新纪元。
### 2.3 这些技术如何解决了传统半导体材料面临的物理限制，如量子隧穿效应和热管理问题
传统硅基器件在5纳米节点以下遭遇的并非单一瓶颈，而是量子隧穿效应与晶格热振动加剧的双重绞杀：栅极控制力衰减导致漏电指数级上升，而高密度集成又使局部热通量突破材料散热极限。而此次厚度仅0.6纳米的异质结材料，凭借其天然的原子级薄度与强静电栅控能力，使沟道完全耗尽成为可能，从根本上压制了关态隧穿电流；其62 mV/dec的亚阈值摆幅无限趋近理论极限，意味着每降低1伏特工作电压，功耗即可下降一个数量级。同时，二维材料面内强共价键与层间弱范德华力的结构特性，赋予其优异的各向异性热导——热量沿平面方向高效扩散，而垂直方向热阻显著提升，恰好契合先进封装中“横向散热优先”的热管理范式。这不是对旧路径的修修补补，而是以维度之变，重写芯片物理的底层方程。
## 三、总结
此次国内跨学科科研团队在二维半导体领域取得的重要突破，标志着我国在新材料与芯片技术前沿已实现从跟踪模仿到并跑引领的关键转变。所制备的厚度仅0.6纳米、载流子迁移率高达420 cm²/V·s的新型过渡金属硫族化合物异质结材料，在室温下展现出＞10⁸的开关比与62 mV/dec的亚阈值摆幅，多项核心指标同步达到国际领先水平。该成果不仅验证了范德华异质结在突破硅基物理极限方面的本征优势，更通过原子级精准制备、界面工程与能带协同调控，为纳米电子器件的低功耗、高密度集成提供了可工程化的材料平台。这一进展有力支撑了后摩尔时代芯片技术的发展路径，亦彰显出中国科研力量在全球二维半导体竞争格局中的实质性跃升。
