硅非常棒。

從最初的原始臺式計算機到袖珍型超級計算機（我們稱為智能手機），電子計算的穩(wěn)步發(fā)展已證明了硅卓越的價值，而它的發(fā)展已超過70年。

如果我們恰到好處地配制硅，將其成型為晶體管，它既可以作為導體，也可以作為絕緣體，這取決于您所要經(jīng)過的電荷，這是整個數(shù)字革命的基礎，包括互聯(lián)網(wǎng)以及從TikTok到互聯(lián)網(wǎng)的一切都是基于其實現(xiàn)的。

但是硅的劣勢正在凸顯。微芯片的計算能力每兩年可靠地翻一番，這就是所謂的摩爾定律（Moore‘s Law），但這個運行了數(shù)十年的定律一直在放緩，并且可能很快就會終結。據(jù)我們了解，使用當前的方法，將元素蝕刻到最小尺寸小于約3納米的硅（如晶體管）中幾乎是不可能的。（從一個角度看，一個3納米的膜厚度可以低至15個原子。）因此，技術行業(yè)正在尋找其他奇妙的材料來代替舊的硅，或者至少與之結合以大大提高其硅的厚度和能力。

UT Austin的Deji Akinwande和一位同事展示了一種使用硅和石墨烯制成的原型設備，可以檢測冠狀病毒顆粒。

物理學、化學和工程學前沿的研究人員正在試驗用于微芯片的奇異物質(zhì)。它們包括石墨烯，黑磷，過渡金屬二鹵化物和氮化硼納米片。總的來說，它們被稱為2-D材料，因為它們是僅一個原子或兩個厚度的平板。僅僅在20年前還不為人所知，現(xiàn)在它們已在實驗室中定期制造，使用的方法包括平凡的攪拌機和棘手的高溫氣相沉積法。

項研究的某些結果已經(jīng)可以在今天出售的設備中找到，但預計在未來十年中將出現(xiàn)更多，為我們的小工具帶來新的功能。這些將包括新穎的功能，例如智能手機中的紅外夜視模式，以及功能強大的功能，例如速度快10倍且功率效率更高的微芯片。這可以實現(xiàn)新形式的人機交互，例如適合日常眼鏡的增強現(xiàn)實系統(tǒng)。

聽起來像科幻小說嗎？實際上，其中一些是。由于各種原因，這些二維材料的許多潛在應用不會在短期內(nèi)實現(xiàn)，包括將它們與現(xiàn)有電子設備一起使用并集成到其中的難度，或者說每年制造數(shù)十億個設備的難度。

為了尋求幫助，研究人員必須對所有這些潛在材料進行分類。一支小型軍隊正在努力，他們來自數(shù)十所大學以及 IBM?， 三星， TSMC，GlobalFoundries以及世界上幾乎所有其他大型芯片設計或制造公司。他們正在尋找理想特性和可制造性的正確組合，即能夠可靠地大量生產(chǎn)的能力。

在曼徹斯特大學超高真空室中創(chuàng)建的納米級設備大約相當于花粉粒的大小。

所有二維材料的祖父都是石墨烯。如果我們能夠像魔術校車一樣收縮自己，并懸停在其表面上方，則石墨烯看起來就像是由碳原子制成的六邊形的平面。石墨烯就像鉛筆中的石墨，只是排列成平面晶體。

1940年代對它的存在進行了理論化，但是直到2004年，研究人員才對其進行了適當?shù)暮铣珊捅碚?。（它為他們贏得了諾貝爾獎。）

石墨烯很強，并且具有導熱的天賦，因此它已經(jīng)找到了使智能手機及其電池保持涼爽以及延長運動裝備壽命的應用。由于其特性更類似于金或銅等其他導體，因此不太可能替代硅。但是它確實具有許多獨特的特性，使其與傳統(tǒng)的硅微芯片結合使用時非常有用。

位于圣地亞哥的初創(chuàng)公司Cardea Bio已經(jīng)開始銷售這種組合系統(tǒng)。它的新傳感器“生物門控晶體管”將生物活性分子（例如某些抗體）附著到石墨烯片上，而石墨烯又附著在硅片上。石墨烯不僅是一種很好的導體，而且對任何可能干擾其導電性的接觸都非常敏感。

Cardea Bio首席執(zhí)行官Michael Heltzen說：“生物學的美麗之處在于它是技術，它具有組織上的復雜性?！?他補充說，石墨烯可以將生物學的模擬世界轉化為人類工程師和人類構建的系統(tǒng)可以操縱和收集數(shù)據(jù)的數(shù)字世界。

初創(chuàng)公司Cardea Bio的“生物門控晶體管”可以與抗體或微生物等顆粒相互作用。

Heltzen先生說，Cardea Bio的系統(tǒng)目前正在搭配在研究人員使用的儀器中出售，這種芯片有一天可以掃描液體中的特定有機分子，即幾乎所有大小不一的有機物都可以進入環(huán)境。該公司宣布，作為佐治亞理工學院的一個項目的一部分，該項目是由美國國防高級研究計劃局資助的，它正在制造一種傳感器，該傳感器可以檢測空氣流中的冠狀病毒顆粒。有人呼出病毒顆粒后不久，建筑物內(nèi)的此類設備即可檢測出SARS-CoV-2。如果可行，最終可能導致可以重新編程以檢測其他病原體的系統(tǒng)。

德克薩斯大學奧斯汀分校研究二維材料的教授 Deji Akinwande表示，其他即將出現(xiàn)的石墨烯-硅團隊合作包括超薄，超靈敏的相機。這是因為石墨烯可以使光傳感器對光的敏感度比硅制成的傳感器高一百倍。此外，由于石墨烯基材料可以在更寬的電磁頻譜范圍內(nèi)“看到”，因此可以使微型，廉價，高分辨率的紅外攝像機成為可能，這些攝像機可以裝入智能手機。這項技術已經(jīng)處于原型階段，可以使我們的智能手機相機看到物體產(chǎn)生的熱量。

此外，Akinwande博士及其同事預測，到本世紀中葉，二維材料對光的處理可能會讓我們的設備進行更有意義的升級。光將是微芯片與計算機內(nèi)部其他組件之間以及內(nèi)部以及之間的較快，更有效的通信方式，從而加快了電子在微芯片和通信網(wǎng)絡內(nèi)部被光子替換的速度。

Akinwande博士說，二維材料可能會產(chǎn)生巨大影響的另一個領域是將微芯片堆疊在一起，例如高層建筑。硅堆棧已經(jīng)在閃存和移動設備芯片中很普遍，而這些設備和移動設備芯片中的空間非常寶貴，例如Apple Watch內(nèi)部。

Akinwande博士檢查了用于對生物過程進行電子測量的基于石墨烯的晶體管陣列。

由于二維材料只有一個原子或兩個厚度，因此它們可以在硅微芯片上生長，也可以分別生長，然后小心放置。賓夕法尼亞大學專門研究納米技術的工程學教授Deep Jariwala說，這與僅堆疊硅層的方案相比有兩個優(yōu)勢。首先是可以堆疊許多芯片而不會增加芯片的高度。第二個原因是某些二維材料（尤其是石墨烯）的散熱效果非常好，工程師可以使用它們來制造高樓板，其運行速度比傳統(tǒng)微芯片還要快，而不會燒壞自己。

在曼徹斯特大學，研究人員創(chuàng)建了一種超凈設備，用于將二維材料堆疊在一起。由于這些材料很容易被空氣損壞，因此所有這些操作都必須在真空室內(nèi)進行。

將這種尖端的制造技術轉化為可能在世界上最大的微芯片工廠（由臺積電，三星和GlobalFoundries等公司運營的所謂“晶圓廠”）中發(fā)生的事情，是將二維材料帶入現(xiàn)實的關鍵，Playground Global的風險投資家Peter Barrett表示，他投資于從事下一代微芯片及其材料研究的公司。

Peter Barrett先生說：“硅的成功，在于它的制造性?！?/p>

也許，從現(xiàn)在開始的數(shù)年或數(shù)十年后，一旦對某些新穎的2-D材料有了足夠的了解，并花費了數(shù)十億美元以全球半導體產(chǎn)業(yè)的規(guī)模推出這些材料，其中的一種或多種可能會取代硅Jariwala博士說，它在我們計算機內(nèi)部的一些主要應用程序中都發(fā)揮了重要作用。

他補充說，一種這樣的二維材料已經(jīng)顯示出了希望，因為它不同于石墨烯，它是一種良好的半導體，這種二維材料就是二硫化鉬。它已被用于創(chuàng)建靈活的電子設備和簡單的微處理器。而且，它作為潛在的硅替代品的適用性并不孤單：它是數(shù)百種（甚至數(shù)千種）有前途的材料的大家族中的一部分。與許多此類物質(zhì)一樣，它面臨的一項挑戰(zhàn)是制造和處理它們可能很困難。

Peter Barrett先生說，與此同時，現(xiàn)有硅芯片的新穎應用，例如量子計算和模仿人腦的“神經(jīng)形態(tài)”計算，將推動工程師將硅推向絕對的物理極限，并在此過程中為未來的發(fā)展鋪平道路。

從不斷縮小的電子產(chǎn)品和破解代碼到云計算和人工智能，對我們硬件的需求增長速度超過了當前技術的增長速度。他補充說，足夠的需求加上實驗室中足夠的進展，最終可能證明，為了將二維材料帶到中心舞臺，我們所支付的巨額投資是合理的。

原文標題：可以替代硅的神奇材料

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責任編輯：haq