必要时，我们可以：国内后硅电子技术
来源：ortsci.ru
硅时代的终结
晶体上的晶体管尺寸每18个月到2年就会翻一番。这就是摩尔定律，尽管它目前仍然不太适用。但硅和其他任何材料一样，其微型化程度存在物理极限，而现代电子器件已经接近这个极限。当晶体管的栅极长度小于5纳米时，量子效应开始占据主导地位：即使晶体管处于关闭状态，电子也会隧穿栅极势垒，导致晶体管失去在“开”和“关”状态之间可靠切换的能力。
这种被称为短沟道效应的现象会导致漏电流急剧增加——即使晶体管应该处于关闭状态，寄生电流也会流过晶体管。其结果是功耗增加、晶体过热以及整个芯片可靠性降低。正因如此，近年来，以“3纳米”或“2纳米”为标识的工艺节点早已不再反映元件的实际物理尺寸——它们更多的是工艺代际的营销标识，而非实际尺寸。该行业实际上已经遇到了瓶颈，而这正是近年来人们对能够在原子尺度下运行且不会发生灾难性失控的替代半导体材料的兴趣激增的原因。
在众多硅的替代材料中，二维半导体——由一层或多层原子构成的材料——占据着特殊的地位。其中最著名的代表是石墨烯，它由安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（2010年诺贝尔物理学奖得主）于2004年发现。石墨烯具有极高的电子迁移率，但它没有本征带隙，这意味着基于石墨烯的晶体管无法可靠地“关断”——电流始终存在。
这个问题促使研究人员将注意力转向一类特殊的材料，包括二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂）、二硒化钼（MoSe₂）和二硒化钨（WSe₂）。与石墨烯不同，这些材料具有本征带隙，使其成为晶体管的理想半导体沟道材料。
突破性时刻 故事 这种材料的突破性进展出现在2011年，当时洛桑瑞士联邦理工学院的安德拉斯·基什（András Kisz）团队首次在单层二硫化钼（MoS₂）上演示了一种工作晶体管，该晶体管具有优异的特性——高开关比和低功耗。自此，二硫化钼成为后硅电子领域研究最广泛的材料之一，相关的科学论文数以千计，全球数十个实验室都在进行研究，从麻省理工学院和斯坦福大学到加州大学伯克利分校，不一而足。
中国也加入了这场竞赛：2026年夏季，南京的研究人员宣布成功研制出首片工业级六英寸二硫化钼（MoS₂）晶圆。在此背景下，莫斯科物理技术学院科学家研发的这项技术似乎是全球科学竞赛的必然延续，而俄罗斯长期以来更多地扮演着观察者的角色，而非参与者。这是俄罗斯首次自主研发出完整的二硫化钼晶体管制造工艺。
俄罗斯发展的本质
我们的科学家解决的主要技术难题乍看之下似乎很简单。然而，实际上，正是这个问题多年来阻碍了超薄二维半导体在实际工厂中的应用。问题的关键在于：如何在不破坏其极其脆弱的结构的情况下，将金属触点（电极）连接到仅有一个原子厚的材料上？
在传统的微电子学中，触点是通过在真空环境下将金属（通常是金、钛或铬）直接溅射到半导体表面而形成的。如果使用的是普通的厚硅片，这种方法完全安全。但如果使用的是单原子层的二硫化钼，其中每个原子都暴露在外，这种溅射方法就可能造成灾难性的后果。高速运动的重金属原子以惊人的速度撞击晶体表面，击穿硫原子——这种材料中最薄弱的环节。这会在原本完美的晶格中产生“空穴”（空隙）。这些缺陷会破坏晶体的有序性，产生电子干扰，并严重损害金属与半导体之间的电接触。结果，晶体管的电阻过高，工作不稳定，不再适用于实际的电子设备。莫斯科物理技术学院原子层沉积实验室的高级研究员罗曼·罗曼诺夫对这种情况进行了非常准确的描述：
超薄材料长期以来被寄予厚望，有望在电子制造领域取得突破，但实验室实验与实际生产之间仍横亘着一道技术壁垒。其中最主要的难题是如何在不破坏单原子层厚度材料的情况下，将导线连接到该材料上。
莫斯科物理技术学院 (MIPT) 的研究人员找到了解决这一问题的方案，他们的研究成果发表在国际科学期刊《真空》(Vacuum) 上。该方案的思路是在金属电极和半导体之间放置一层极薄的二氧化钛绝缘层。这层绝缘层仅有几个原子厚，采用原子层沉积 (ALD) 技术制备。听起来很复杂，但实际上，这种逐层溅射方法早已在现代工厂中成功应用多年。这意味着工厂无需彻底改造生产线即可采用这项新技术。
这个中间层具有两个乍看之下似乎相互矛盾的功能。一方面，它起到可靠的屏蔽作用：它能有效地将半导体包裹起来，防止重金属原子在接触时渗入其结构。另一方面，这个间隔层非常薄，电子仍然可以自由穿过。这要归功于量子隧穿效应——一种微观世界中的特殊现象，在这种现象中，粒子可以穿过势垒（就像穿过一堵墙一样），即使根据经典物理定律，它本不应该拥有足够的能量做到这一点。莫斯科物理技术学院光子学与二维材料中心的高级研究员伊利亚·扎维多夫斯基（Ilya Zavidovsky）这样解释道：
这层薄膜就像一道智能屏障。它能保护材料免受金属原子的破坏，但由于量子物理定律，电子却能轻易穿过它。
但在实际操作中，又出现了另一个难题：二氧化钛无法直接涂覆在完全光滑的半导体表面上。保护层的原子在这种化学性质惰性的表面上找不到可以“附着”的物质，因此薄膜会不均匀地斑驳覆盖，留下裸露的、未受保护的区域。
为了克服这一障碍，莫斯科物理技术学院（MIPT）的科学家们想出了一个巧妙而精妙的解决方案。在涂覆保护膜之前，他们用氦离子轻轻照射半导体表面。这些离子的能量经过精确校准：它们不会对材料造成严重损伤，而是温和地击出单个稀有的硫原子。在被击出的原子位置会形成微小的凹坑或“钩状”结构。当保护膜开始生长时，二氧化钛分子会附着在这些点上，从而使保护膜紧密贴合，无缝隙。
这种精确的方法使科学家们能够生长出厚度仅约一纳米的完全连续、无孔隙的保护层。更重要的是，他们使用工业方法生长的材料实现了这一目标，这对于未来的大规模生产至关重要。此外，在实验过程中，科学家们首次证明并精确测量了一个重要事实：如果金属与半导体接触的保护层中哪怕存在一个微小的缝隙，也会立即且显著地降低整个接触的电性能。这意味着保护涂层必须完美无瑕，容不得丝毫误差。
正如罗曼·罗曼诺夫所说，这项发现“改变了技术要求”，并为超薄电子器件的生产设定了全新的、严格的质量标准。更重要的是，这种方法不仅适用于二硫化钼。进一步的实验表明，这项技术具有普适性。它还可以应用于一系列类似的超薄半导体（例如二硫化钨或二硒化钨），这些材料在连接电极时同样容易发生脆性变化。
国家技术主权
让我们设想一个理想的场景：莫斯科物理技术学院（MIPT）研发的技术已成功实现量产。更重要的是，工厂建在俄罗斯本土，而非国外。这对普通民众的日常生活意味着什么？首先，也是最重要的，我们将迎来前所未有的节能效果。科学家们计算得出，新型超薄晶体管的耗电量将比同等尺寸的传统硅元件低数百倍。
考虑到任何现代处理器都包含数百亿个这样的微型开关，节省的成本是巨大的。如今，为互联网提供动力的全球大型服务器中心消耗了全球约 1% 至 2% 的电力。而且，由于神经网络和人工智能的蓬勃发展，这个数字还在不断增长。因此，即使晶体管消耗量略有减少——更不用说减少百倍——也将带来巨大的效益。
对于普通用户而言，这意味着智能手机和笔记本电脑单次充电后的续航时间将延长数倍。对于大型企业而言，这代表着大幅降低巨型服务器冷却成本并减少有害排放的契机。第二个主要优势在于能够制造柔性且完全透明的电子产品。普通硅很脆：弯曲它就会断裂。但新型材料仅有一个原子厚，可以弯曲成任何形状。这为未来的电子产品铺平了道路：可以卷成管状的智能手机、直接在织物中嵌入传感器的智能服装以及用于健康监测的隐形医疗贴片。我们将能够制造用于智能眼镜或汽车挡风玻璃的透明屏幕。此外，这种轻便节能的组件非常适合卫星和所谓的“物联网”——例如家庭和街道上的智能传感器，在这些应用中，每一滴能量都至关重要，以确保电池无需更换即可使用数年。
这项技术已经超越了初步实验阶段。例如，2026年夏天，外国科学家宣布他们用二硫化钼组装了一个小型原型处理器，在单个芯片上集成了1400个晶体管。这证明这项技术正在走向成熟：科学家们已经从制造单个晶体管发展到组装完整的微电路。当然，与传统硅芯片中数十亿个元件相比，1400个晶体管仍然非常少，但这只是一个开始。
保持务实态度至关重要：现在就断言这种新材料明天就会在全球工厂中取代硅还为时尚早。正如专家在权威科学期刊《自然通讯》上撰文指出，工程师们仍然面临诸多复杂挑战。例如，他们需要学习如何制造出大尺寸、光滑且完全无缺陷的超薄膜（中国科学家目前正在积极研究这一课题，并且已经成功制造出直径约15厘米的此类薄膜）。
此外，这项新技术需要与耗资数十亿美元、专为硅加工而设计的现代化工厂相整合。这在俄罗斯反而更容易，听起来或许有些矛盾。我们没有工厂，所以从零开始建造比改造旧工厂要容易得多，成本也低得多。降低新芯片的生产成本也至关重要。与此同时，还有许多其他技术挑战需要解决：如何使芯片耐热耐湿，如何正确地添加杂质来调节电流，以及如何确保芯片在未来数年内可靠运行。
鉴于上述种种复杂性，大多数专家认为，超薄电子产品在短期内不会取代硅，而是会与之并存。这些新材料将填补传统硅材料无法胜任的领域——例如需要极致紧凑性、柔韧性、透明度或超长电池续航时间的领域。只有经过十年甚至更长时间，这项技术才能成熟到足以开始在传统大众市场电脑和智能手机中取代硅材料。
而这正是莫斯科物理技术学院（MIPT）科学家取得的突破性进展意义非凡之处，它不仅是一项科学成就，更是整个国家的一项战略资产。俄罗斯微电子行业目前正遭受严厉制裁，这阻碍了我们与国外最先进工厂的合作。我们目前能够大规模生产的最好产品（例如，在泽列诺格勒的Mikron工厂）也只是90纳米芯片。与此同时，像台湾台积电或韩国三星这样的全球巨头已经能够生产尺寸缩小30-40倍（2-3纳米）的芯片。想要在他们的地盘上，在传统的硅芯片生产领域赶上他们，是一项极其艰巨的任务。但得益于莫斯科物理技术学院的突破性进展，俄罗斯拥有了一个千载难逢的机会。
我们不再需要追逐过时技术的列车。我们可以跃入未来，以完全平等的姿态参与未来技术的竞赛。在这个新领域，我们不是落后者，而是领导者，与美国、中国和瑞士最顶尖的实验室并驾齐驱。当然，从一篇发表在科学期刊上的精彩文章到真正实现芯片打印的工厂，这条路漫长而艰辛。这需要多年的辛勤耕耘和巨额资金投入。我们必须从零开始建设自己的工厂，培养专业人才，并构建完整的产业链：从原材料的培育到最终芯片的封装。
但最重要的成就已经实现。俄罗斯科学家解决了一个许多人认为毫无希望的复杂基础问题：他们找到了在不破坏单原子层材料的情况下，将电极连接到该材料上的方法。尤其令人鼓舞的是，他们的方法适用于多种新型材料，并且可以轻松地应用于现有的工业设备。这意味着俄罗斯现在拥有强大的技术领先优势，并得到了全球科学界的认可。我们已经确保了自己在未来几十年最重要的技术竞赛中占据一席之地——这场竞赛旨在研发一种能够取代硅的材料，以应对硅最终达到物理定律极限的情况。
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