以 TMD 材料取代硅，推进下一代更小、更有效率半导体芯片
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根据摩尔定律，积体电路可容纳的电晶体数目约每 2 年便增加 1 倍，但这条定律即将走
到尽头。随着硅芯片越做越小，进入 2 奈米制程后功能、尺寸便几乎达到物理极限，因
此研究人员正在开发更小、更薄、更有效率的下一代芯片，以过渡金属二硫属化物（TMD
）替代硅材料。
当前所有电子设备都使用以硅制成的芯片，半导体产业也借由不断缩小电晶体尺度来提升
元件效能，然而日益缩小的元件终将面临制程技术与物理瓶颈，科学家只好开始寻找替代
三维硅的下一任半导体支柱。
其中，仅原子层厚度的二维层状半导体材料近年备受瞩目，比如过渡金属二硫族化物（
transition metal dichalcogenides，TMD），许多公司已在二维材料芯片投入大量资金
；最近，普林斯顿电浆物理实验室（PPPL）物理学家 Shoaib Khalid 团队也在《2D
Materials》期刊发表新论文，详细介绍 TMD 原子结构可能发生的变化、发生原因及它们
如何影响材料。这些资讯为改进下一代电脑芯片所需流程奠定基础。
过渡金属二硫族化物（TMD）材料关键特征是二维结构的大原子相互作用，如二碲化钨（
WTe2）表现出反常巨磁阻和超导性，其余如：二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、二
硒化钼（MoSe2）、二硒化钨（WSe2）等，也都是极具潜力的二维层状半导体材料。
研究人员解释，TMD 可以薄到仅 3 个原子厚度，把它想像成由硫族元素（硫、硒、碲）
制成的金属小三明治，中间馅料可为任何过渡金属原子（元素周期表第 3 族到第 12 族
的金属）。
块状 TMD 则具有 5 层或更多层原子排列成晶体结构，有时候，科学家会在晶格结构某处
发现缺少 1 个原子、或在奇怪位置找到 1 个原子，这种“缺陷”偶尔能为材料带来正面
影响，比如某些 TMD 缺陷反而使半导体导电性更强。
无论好坏，科学家必须了解引发缺陷的原因并加以利用。之前，科学家发现块状 TMD 含
有多余电子，现在 Shoaib Khalid 团队指出，这些多出的电子可能由氢气引起。
根据缺陷的类型与性质，材料也会有不同表现与性能。比如多余电子会形成 n 型半导体
材料，失去电子留下电洞则使材料成为 p 型。
至于我们还要等多久才能在手机、PC 看到 TMD 芯片的应用？专家认为，到 2030 年可能
就会出现实际用于设备的 TMD 电晶体。