應用於未來新興科技的二維材料

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科技產業資訊室(iKnow) - 黃松勳發表於 2022年3月25日

圖、應用於未來新興科技的二維材料

在Nature Communications期刊中報導，德國阿亨工業大學(RWTH Aachen University)的研究人員概述了二維材料(2D Materials，2DM)最有潛力的應用領域，以及利用二維材料來實現高科技產品製造仍有一些挑戰需要克服。

延續摩爾定律(More Moore)和超越摩爾定律(More than Moore)，是用來描述半導體產業中兩個主要的研究方向。More Moore即表示著不斷推進電晶體微縮尺寸，並在晶片的下一個製造節點上集成更多、更小、更快的電晶體。More than Moore表示將數位和非數位功能組合在同一晶片上，這一趨勢也被稱為“CMOS+X”，隨著5G通訊、物聯網和自動駕駛等應用的到來，這一趨勢將變得越來越重要。

二維材料對於上述這兩個研究方向來說，都是一個非常有前途的平台。例如，其超薄特性(單層約3-5 Å)能使其成為未來技術節點中替代矽作為奈米片電晶體通道材的主要候選者，這將實現尺寸不斷地微縮。此外，基於二維材料的裝置可與標準CMOS技術良好整合，因此可擴展矽晶片的附加功能，例如硬用於神經形態運算(Neuromorphic computing)的感測器、光子學(Photonics)、光子積體電路(Photonic integrated circuits)或憶阻裝置(memristive device)。

研究人員認為二維材料有可能成為未來集成電子學的“X因素(X-factor)”，預計將先進入特定感測器的利基應用市場，因為其對製造技術的要求較低。二維材料未來將在光子積體電路和神經形態運算應用中發揮重要作用，但目前在這些領域仍處於起步階段，但初步結果非常有希望。

事實上，目前已發現十幾種二維材料，具有可編程的電阻切換，可用於模擬突觸和神經元行為裝置（憶阻器）的基本特性。雖然仍有許多基本方面需要了解，但以二維材料製造出的第一款憶阻器，已顯示出其性能具有競爭性與各種理想的非運算功能，例如通訊系統的不可複製性和射頻切換。

研究也顯示，二維材料未來將在量子技術領域發揮重要的作用，並在固態量子運算、量子通訊和新型量子感測方面具有巨大潛力，並且在量子運算方面二維材料比矽材料等其它平台早了8到12年，如二維材料在自旋量子位元方面將觸手可及，雖然尚未得到證實。不過，二維材料平台提供的靈活性可能會在中長期提供一些優勢，並克服其他平台所遇到的一些障礙。

研究人員除了藉由論文發表之外，主要是想對該領域不太熟悉的人們強調二維材料的潛力，同時說明二維材料為什麼還沒有能夠成為集成晶片和電子產品的問題，目前仍存在需要解決的基本挑戰，但重要的是半導體產業了解二維材料研究社群所取得的進展，透過加強合作並充分利用這些材料特性，將能夠帶來令人興奮的創新科技應用。(915字；圖1)

參考資料：
2D materials for future heterogeneous electronics. Nature Communications，2022/3/16
2D Materials for the Next Generation of Data Processing. RWTH，2022/3/17

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