2020年，关于芯片的话题绝对是国际热点，你肯定听说了很多关于它的新闻。我也看到了很多文章都在分析，为什么芯片制造难？中国的芯片技术该怎么突破？
这些问题的答案，当然包括很多因素。我们《材料科学前沿报告》关注的，还是芯片的材料。
　　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。
　　材料学的前沿进展不只包括发现新材料，还包括发现材料的新结构。下一讲，我们就来说一种在结构设计上有新突破的前沿材料，超疏水材料。我们下一讲见。