摩爾定律不靈了。
這個定律說，當價格不變時，晶片上可容納的電晶體數目，每隔18-24個月就會翻倍，性能也隨之翻倍。過去半個世紀，它一直是對的。
但隨著晶片進入納米尺度，晶片上電晶體數量開始挑戰極限。比如，上個月英特爾公布的10納米級晶片，每平方毫米就有超1億個電晶體。
繼續「噌噌」翻倍或許仍有希望，但難度在陡增。因為再這麼下去，材料的物理、化學性能將發生質的變化，現行製造工藝也將「撂挑子」。
二維材料是第608次香山科學會議關注的熱點之一
近日，國內外科學家相聚蘇州舉行香山科學會議，為下一代半導體技術尋找對策，二維材料就是備受關注的熱點之一。
Nano-X二期效果圖
說起二維材料，名氣最大的當屬石墨烯。2004年英國科學家製備出這種由單層碳原子構成的超薄片，後來獲得2010年諾貝爾物理學獎。
從此，二維材料迎來研發熱潮，越來越多的二維材料正被發掘出來。比如由單層原子構成的錫烯、二硫化鉬和黑磷等等。
「二維材料是個大家族。理論上講，有多少種三維材料，就有可能製備出種類相當甚至更多的二維材料。」新加坡南洋理工大學張華教授說，如果擁有成熟的技術，同樣可以製備出單原子層的金子，雖然眼下這種材料還沒出現。
同一種物質，從傳統的三維世界，進入二維國度後，便出現許多令科學家為之稱奇的物理、化學性質。
比如，大部分三維半導體材料表面具有懸空鍵，很多電子被束縛住了。而二維半導體材料表面具有原子級的光滑，電子可以更好地自由移動。這就使它們在極薄的狀態下也具有優異的電學性能。
當然這只是其中一個特點。正如張華所說，和三維材料一樣，每一種二維材料都有自己的「個性」。比如奇特的磁學性能、光學性能或催化性能等等。
在中科院物理研究所王業亮研究員看來，二維材料種種新奇的特性，讓研究人員看到了新的機遇：或許可以用它們來研發新一代元器件，為未來信息科技的發展注入更大潛能。
Nano-X一期效果圖
儘管對二維材料的關注越來越多，這個領域整體還處於基礎研究階段。
「即使有用二維材料製成的元器件，也只是單個器件的演示，離大規模應用還遠得很。」 加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授接受科技日報記者採訪時說。
二維材料的製備也有很多需要優化的地方。段鑲鋒介紹，由於合成技術不夠成熟，目前依然難以穩定地合成理想的二維材料。所以大部分實驗室採用的是所謂的機械剝離法：說白了，就是用特殊的膠帶紙粘到三維材料上，撕下一層薄薄的二維材料。石墨烯當年就是這麼發現的。
「這種方法簡單易行，用於基礎研究沒問題，但是肯定不能滿足未來產業化的需求。」段鑲鋒說。
二維材料的加工工藝也是一個巨大挑戰。有科學家就提出，二維材料太薄了，對加工工藝的要求實在太高，所以可能不適合做晶片，而更適合做柔性屏幕或者柔性可穿戴電路。
這確實是個世界性的難題。
三維材料有比較多的原子層，加工時即使表面的原子層受到損傷，對器件的性能也不會造成明顯影響。而對只擁有單原子層的二維材料來說，損傷了一層，就意味著致命的破壞。這意味著，對它進行加工的工藝，也要達到原子精度才行。
小型納米真空互聯實驗系統
儘管如此，王業亮依然對二維材料的前景持樂觀態度：「它肯定可以用於製造晶片，只是要走的路還很長。」
段鑲鋒則認為，二維材料能否續寫摩爾定律的傳奇，誰也不敢打包票。但在他看來，二維材料確實為半導體行業提供了新的可能。
這種可能性或許不在於使晶片上電晶體的數目不斷翻倍，而在於使晶片擁有更多、更好的功能，甚至帶來全新概念的晶片。
比如現在的晶片是一個平面，它的功能也是在二維的平面上實現的。未來或許可以讓不同二維材料垂直堆積，在第三個維度上進行集成，從而實現真正意義上的三維晶片。
再比如，將具有特殊光學性能的二維材料與現有的矽基晶片結合，形成新型的光量子晶片。這或許對未來量子計算機的發展具有重要意義。
但是要讓這些「可能」真正走進日常生活，也許還需要二三十年的時間。這是任何一種材料從基礎研究到大規模產業化的必經之路。正如科學家從上世紀二三十年代就開始研究矽，但是直到五六十年代，矽才開始在半導體領域實現產業應用一樣。
「任何一種材料，想要撼動矽在半導體行業的地位，在今天看來都難以想像。」段鑲鋒話鋒一轉說，但他堅信，一項技術一旦取得關鍵突破，其發展速度往往大大超出預測。
一個「航母級」的納米材料和器件開發平臺正在蘇州市工業園區悄然成型。記者從近日召開的香山科學會議了解到，該平臺全稱為納米科技真空互聯綜合實驗裝置，而且有個很酷的英文名字：Nano-X。
「總體方案是，用總長接近500米的超高真空管道將上百臺用於納米材料生長、器件製備、測試分析的大型儀器設備互聯在一起。」中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所王永疆博士介紹。
Nano-X建成後，將成為世界上首個集納米材料生長、器件加工、測試分析為一體的納米領域大科學裝置，也將是未來納米材料研究與器件開發最先進的開放平臺。目前該實驗裝置已經完成基本建設，下個月將開始實驗設備和真空管道搭建。
該平臺的關鍵詞之一是「超高真空」。王永疆告訴記者，研究納米尺度的材料與器件，不僅需要具有超高分辨能力的高端儀器設備，還需要某些極端條件和環境，其中超高真空環境尤為重要。
「只有在超高真空下，納米材料的表面才不會被氧化或沾汙，從而保持材料的本徵性質。」王永疆說。
納米器件的開發也是如此。後摩爾時代，越來越多的電子器件進入納米尺度，材料的表面、界面特性對器件性能的影響越來越大。比如，一根直徑如頭髮絲的納米器件，在封裝之前，即使表面沾上一粒灰塵，也會對整個器件的性能產生極大影響。而Nano-X的設備環境則可以避免這類問題。