简要的说，二硫化钼材料，厚度只有0.65纳米，比现在最新的3纳米小很多，可以让芯片性能按摩尔定律继续提高。另外利用二硫化钼制造芯片，可能绕开光刻机的技术瓶颈，直接把芯片制造出来。难度是量产。

德尔未来控股子公司厦门烯成几年前就研发出二硫化钼制备设备并销售，在这个二硫化钼领域有较深的积淀，发明专利：一种层状的二硫化钼薄膜的制备方法

以下内容摘自得到上热销课程清华大学博士孙亚飞的《材料科学前沿报告》第二讲，有兴趣可以看看

目前，芯片所用的主流材料叫单晶硅。但是，单晶硅材料正面临一个关键节点，如果新的芯片材料还不能研发出来，人类目前依托于单晶硅研发的芯片技术会面临全面的停滞。

谁会是下一代的芯片材料呢？

2020年初，包括台积电在内的一些芯片行业翘楚，都在公开场合谈到了这个问题。这些企业经常提起的一种材料，就是二硫化钼。在阿里达摩院发布的“2020年十大科技趋势”里，也提到了二硫化钼芯片材料。

那到底是什么原因，让二硫化钼成了宠儿呢？这一讲，我们就来说说最有可能成为下一代芯片材料的，二维二硫化钼材料。

先来说说这是一种什么样的材料。你可能注意到了，刚刚我在“二硫化钼”这个名字前面，又加了两个字，“二维”，它是一种二维材料。

所谓二维材料，就是可以忽略材料的厚度，只考虑三维空间里的另外两维。这在材料学领域里，是非常特殊的一类材料，它们常常有一些三维材料不具备的特性。

提到二维材料，很多人首先想到的都是石墨烯，它的厚度就只有一层原子，不可能再薄了。二硫化钼没有石墨烯那么薄，它有三层原子：上下两层都是硫原子，中间一层是钼原子。三层原子这个厚度也已经接近极限了，所以它也可以被看成是二维材料。

这个三层结构非常重要，可以说是二硫化钼能从各种芯片材料中脱颖而出的基础。

比如拿它和石墨烯对比来看，石墨烯也是未来芯片的候选材料。但单层石墨烯很难稳定存在，它们就像是一片片芝士一样，如果叠在一起，很容易就粘起来变成一整块奶酪。

二硫化钼就不一样了。

每一片二硫化钼晶体和其他晶体片之间，吸引力都比较弱，所以理论上来说，二硫化钼天然就可以呈现三层原子形成的二维结构。如果用它作为加工材料，就像一片片夹心饼干一样，既不用担心饼干之间会互相粘合，也不用担心夹心会脱落。

我查了最近的一些发展报告，发现和石墨烯相比，二硫化钼芯片虽然目前还远到不了商用阶段，但是它用于芯片的科学障碍，确实已经所剩不多了。

二硫化钼的性能比石墨烯更好，并不是它能成为下一代芯片材料的理由。毕竟石墨烯很难稳定存在，距离可以应用实在太遥远了，二硫化钼真正要战胜的对手，是我们目前使用的芯片材料，单晶硅。

和单晶硅相比，二硫化钼的优势在哪儿呢？咱们先来说最重要的一个：二硫化钼能让芯片性能继续提高。

你可能听说过，芯片行业有一个“摩尔定律”：每18个月，芯片性能就会翻番。摩尔定律维持了近半个世纪，一直非常准确。但是在最近十年来，这个定律实质上已经失效了。

被什么限制了呢？就是芯片的材料。

简单来说，要想让芯片的性能提高，就是要在同样的空间里摆下更多的电路。也就是说，要把半导体电路做得尽可能更细一些。眼下，这个电路的尺寸已经做到5纳米，正在向3纳米的规格迈进。

你可能不知道这么小的尺寸意味着什么。这意味着，如果不找到新的材料替换单晶硅，那继续把电路做细做小，几乎就是不可能完成的任务。

这是为什么呢？电子遇到单晶硅的时候，通过程序控制，我们可以选择让电子通过或者不通过，这是单晶硅能做成芯片的基础。

但当把单晶硅的尺寸做得很小的时候，会出现一个现象，叫量子隧穿。通俗来说，就是电子学会了“穿墙术”，可以不受控制地穿过单晶硅。这就没法作为芯片使用了。

可以说，如今的芯片已经把单晶硅的潜力压榨干了。在电路尺寸继续向3纳米缩小的过程里，研发者屡屡失败，摩尔定律就是在这里失效的。

所以，不管替代单晶硅的新材料是什么，它起码得能抵挡量子隧穿效应，别让电子随便穿。二硫化钼晶体就能做到这点。

我们前面说了，二硫化钼晶体是一种层状结构。电子很难突破它层与层之间的间隙，只能被限制在层内运动。

所以我们可以把每一层晶体的厚度，看成是最小的电路尺寸。经过计算，单层二硫化钼的厚度只有0.65纳米，比我们的目标尺寸3纳米小太多了。

这就是二硫化钼最重要的优势，它有潜力让芯片的性能继续按照摩尔定律提高。

除了尺寸，单晶硅技术的另一个困难在于，芯片材料本身有苛刻的纯度要求。作为芯片，如果单晶硅中有其他原子，那么在运算的时候，就有可能成为一个bug。所以，纯度问题，是芯片材料不能妥协的问题。

从晶体结构来说，单晶硅是原子晶体，每一个原子都要和周围的四个原子，通过化学键连接起来。但这样的话，晶体表面的那些硅原子就不可能满足要求。如果你对晶体结构不了解，这句话你可能很难理解，我打个比方吧。

围棋里面讲究“金角银边草肚皮”，要围住在棋盘中间的棋子，你需要四个棋子才能围住，要围住在棋盘边线上的棋子呢，需要三个，而在棋盘角上的棋子，只需要两个就能围住。

所以，在单晶硅里，边缘的硅原子做不到和四个硅原子相连，只能留出空闲的化学键，被称为“悬挂键（dangling-bond）”。悬挂键可以和其他一些原子结合，一结合，单晶硅的纯度就会降低，芯片运算出错的概率就会增加。

而芯片电路尺寸越小，露出来的硅原子就越多，悬挂键也就越多。所以即便不考虑量子隧穿效应，要想把单晶硅做成更小的电路，化学性质也是限制因素。

在这方面，二硫化钼也是有优势的，它没有悬挂键，不容易引入杂质。二硫化钼的化学键只在三层原子之间，边缘没有，其他原子又很难插入三层的内部。这是二硫化钼用作芯片材料的又一个优势。

二硫化钼还有一个优势是，它也许能够绕过目前的技术瓶颈，直接把芯片制造出来。

按单晶硅芯片的制造方法，我们需要用到光刻机，利用激光把电路雕刻出来。所以，要想让芯片电路变得更精细，前提条件是要掌握更精密的光刻技术。现在芯片技术很难突破，也有一部分原因就是光刻机的精度很难提高。

但生产二硫化钼芯片，也许我们可以不通过光刻技术，直接获得。根据2020年的一些报道，二硫化钼晶体大多是通过化学沉积法完成。简单说就是用一些原料，缓慢反应产生二硫化钼之后，直接铺在基底材料上。如果这套技术完全成熟，我们就可以绕过光刻技术的瓶颈。

从这三个方面不难看到，二硫化钼，确实有替代单晶硅的潜力。

优势这么明显，是不是二硫化钼马上就可以作为芯片材料投入应用了呢？

还没有那么快。二硫化钼芯片，要进入实用阶段，必须要解决的问题就是如何生产加工。

到目前为止，批量生产出二硫化钼晶体管依然不现实。我们前面说，二硫化钼是一种二维材料，而二维材料的批量化生产，对现代技术来说还是一个全新的课题。也正是因为这一点，国际芯片巨头虽然普遍看好二硫化钼，但是都没有实际投资到相关产业。

但在我看来，这样一种性能突出的二维材料，除了能用在芯片上，还可能会在OLED显示器、太阳能电池以及一些军事用途上发挥作用。所以，科学界对它的研究并不会停滞，值得你继续关注。

芯片是中国制造业升级必须要面对的硬骨头。在单晶硅方面，中国的落后局面，相信你早已熟悉。同样，对于下一代芯片材料的研究，中国仍然还没有摆脱被“卡脖子”的风险。

以二硫化钼为例，中国的科研成果丰富，但重要的节点工作，几乎都在欧美国家发生，这也说明了芯片领域竞争的激烈与困难。我们还是需要正视自己在高端制造业方面与先进国家的差距。