为什么需要2D电子材料？未来电子产品将使用哪些2D材料？

二维材料在电子器件和能源领域具有巨大潜力。

新兴和未来的 2D 电子材料（如石墨烯）在载流子容量、强度和多功能性方面有可能超越现代组件的能力。本文将讨论二维电子学的一些潜在优势以及构建它们的材料。

自 1950 年代以来，硅一直是用于制造晶体管、半导体和其他电子元件的主要材料，由于良好的材料和电子特性以及低成本，硅被竞争对手选中。从那时起，摩尔定律，即集成电路上的晶体管数量每两年（大约）翻一番的结论，逐渐成立，硅基电子产品变得越来越强大。然而，自 2010 年左右以来，进展速度明显放缓，主要是由于晶体管达到了几乎原子的密度，该密度受到量子效应的影响，例如电子转移到相邻组件（隧穿）。

为什么需要2D电子材料？

硅基晶体管已经达到了纳米级的规模，迄今为止，许多创新使它们能够达到这一规模。铜互连、介电材料的结合、互补金属氧化物半导体场效应晶体管 （CMOS） 等。纳米厚的硅片提供单独的电荷载流子通道，但当接近 3 nm 左右时，使它们变薄会显著限制通道内的载流子迁移率。

原子厚度低于 1 nm 的 2D 半导体天生比具有出色载流子迁移率的硅片更薄，它们在三维空间中是自钝化的，因此在这个方向上不需要任何额外的屏蔽，并且可以使用分层策略进行微调。具有不同性能的层状二维材料可以通过各种门控方法进行组合和连接，以产生具有精确电子功能的新型电子异质结构。

2D电子学有哪些应用？

2D电子材料在传感应用中备受推崇，主要是由于其大而高度可定制的表面化学成分。任何能够吸附或化学吸收到二维电子材料表面的颗粒或分子都可能引起电子特性的变化，即阻抗，从而引起电流的变化。表面可以用互补分子与感兴趣的分子（例如致病抗原特异性抗体）进行功能化，从而在各种介质（气相和液相）中充当高灵敏度和选择性的检测器。

二维电子材料可能是未来神经形态计算的解决方案。受大脑结构启发的电路，在这些设备中，突触和神经元使用内存计算和忆阻设备进行模拟，后者将电荷与磁通链联系起来。这些设备很少用于现代电子产品，并且仍在紧张开发中，但它们作为量子计算、物理神经网络和可重构计算中的存储设备具有强大的潜在应用。

可重构计算是一种计算机架构，它允许对数据路径和通过电路的流量进行实质性更改，允许它们针对特定任务进行配置，然后针对另一项任务进行重新配置，这与普通微处理器不同。分层 2D 异质结构非常适合可重构计算，因为它们有可能逐层分解并调整层之间的门控。由于上述三维屏蔽，使用二维电子材料可以实现复杂的重叠电路，从而可以最佳地利用空间。

未来电子产品将使用哪些 2D 材料？

石墨烯可能是最受欢迎的二维材料之一，在未来电子学中具有潜在的令人兴奋的应用。它仅由排列在六边形晶格中的碳原子构成，该晶格共享广泛的共轭电子系统。这是二维电子材料的共同特征，例如六方氮化硼，其结构与石墨烯相似，但含有交替的硼和氮原子。

这种材料通常用于需要高温和化学电阻率的润滑和涂层应用，与石墨烯不同，它充当绝缘体，尽管它可用于 2D 电子电路中的短部分以充当隧道屏障。

另一种在未来电子学中具有潜在应用的二维材料是二硒化钨，它不是形成一个原子厚的平面结构，而是具有一个重复的单体单元，其中包含一个钨原子上方和下方连接的两个硒原子。这种材料用于太阳能电池应用，因为它具有高带隙和随着温度升高而相对较低的效率损耗，并且特别用于 2D 电子器件的门控组件，例如可重构计算。

另一种无机二维电子材料是黑磷，它表现出独特的电子结构，允许高电荷载流子迁移率。在所有形式的磷中，黑磷在室温下热力学最稳定，并且再次具有六边形晶格结构，允许原子之间重叠 p 型轨道并有助于高导电性。

黑磷特别令人感兴趣，因为它通过调节层厚度来调节带隙，它填补了上述二硒化钨和其他过渡金属硫族化物单层的大带隙与零带隙石墨烯之间的范围。

审核编辑：刘清