近日，維也納工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在 Science 發(fā)表了一篇可能會(huì)對(duì)整個(gè)芯片行業(yè)產(chǎn)生重要作用的論文。臺(tái)積電、英特爾、三星這些巨頭正在豪擲千金，研發(fā)兩納米甚至一納米的制程。如果選錯(cuò)了材料方向，幾百億美元可能竹籃打水一場(chǎng)空。

這篇論文提供了一個(gè)篩選工具，它能夠知道哪些材料是值得下注的真金，哪些只是看著漂亮的數(shù)據(jù)。同時(shí)，這篇論文中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是，二維材料和絕緣層必須從最初就一起設(shè)計(jì)。

當(dāng)前手機(jī)電腦越做越小，芯片里的零件已經(jīng)快碰到物理極限。人們想用原子厚度的神奇材料來(lái)續(xù)命，卻遇到了一個(gè)攔路虎，那就是當(dāng)這些超薄材料疊在一起時(shí)，它們之間會(huì)卡著一個(gè)看不見(jiàn)的縫隙。

這個(gè)縫隙只有零點(diǎn)一四納米，比一個(gè)硫原子還細(xì)，卻能?chē)?yán)重削弱電子性能。此外，本次研究人員也找到了拉鏈?zhǔn)讲牧线@一解藥，能讓兩層原子牢牢鎖死，徹底消除這個(gè)縫隙，從而能夠幫助芯片行業(yè)避開(kāi)一條可能浪費(fèi)幾百億美元的死胡同。

圖 | 本次論文第一作者M(jìn)ahdi Pourfath（來(lái)源：Google Scholar）

想制造更小的晶體管，就得把絕緣層做得極薄。絕緣層的作用是隔開(kāi)控制電極和導(dǎo)電通道。如果使用原子厚度的二維材料，傳統(tǒng)方案就失靈了。大多數(shù)二維材料和絕緣層之間只能靠范德華力粘著。

這是一種很微弱的吸引力，就像兩塊光滑的玻璃板輕輕貼在一起。它們之間永遠(yuǎn)隔著一道肉眼看不見(jiàn)的空氣縫。這個(gè)縫隙雖然只有零點(diǎn)一四納米，卻成了一夫當(dāng)關(guān)的瓶頸。

與此同時(shí)，這個(gè)縫隙還帶來(lái)了雙重麻煩。它像真空一樣不導(dǎo)電，會(huì)大幅削弱控制電極的電容效應(yīng)。電容減弱意味著控制芯片開(kāi)關(guān)的效率變差。這個(gè)縫隙還會(huì)讓電子亂跑，增加漏電和能量損耗。很多材料本身性能優(yōu)異，貼上絕緣層后就泯然眾人了。研究人員一針見(jiàn)血地指出，問(wèn)題不在材料本身，而在材料的接縫處。

（來(lái)源：維也納工業(yè)大學(xué)）

研究人員用計(jì)算機(jī)模擬了多種材料組合，發(fā)現(xiàn)六方氮化硼這種絕緣體表現(xiàn)尚可。它雖然也產(chǎn)生了縫隙，但縫隙反而擋住了漏電。不過(guò)大多數(shù)高倍材料就慘了，比如鈦酸鍶這種高倍材料，本身介電常數(shù)極高，一旦形成縫隙所有優(yōu)勢(shì)都付諸東流。它的絕緣效果甚至不如傳統(tǒng)材料，直接失去了繼續(xù)微縮的資格。

但是，科學(xué)家已經(jīng)找到了解決辦法，這個(gè)方法就是拉鏈?zhǔn)讲牧稀Ｄ承┨厥庋趸锬芎投S半導(dǎo)體長(zhǎng)出連續(xù)化學(xué)鍵，它們像拉鏈一樣緊密咬合徹底消滅了那個(gè)縫隙。一種名為 BSO BOS 的材料已經(jīng)做到了這一點(diǎn)，它的絕緣等效厚度只有零點(diǎn)四納米，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。這種材料不僅性能炸裂，還保留了較好的電子遷移率。

為了弄清楚這個(gè)縫隙到底有多致命，研究人員做了大量細(xì)致的計(jì)算。他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)縫隙的介電常數(shù)只有二左右，和真空差不多。這意味著無(wú)論你選多牛的絕緣材料，電子都得先穿過(guò)這道空氣墻。這道墻會(huì)給整個(gè)器件憑空增加零點(diǎn)二七納米的等效氧化物厚度，對(duì)于追求亞納米級(jí)別的先進(jìn)制程來(lái)說(shuō)，這簡(jiǎn)直是雪上加霜。

研究人員還分析了金屬電極接觸的問(wèn)題，芯片里的源極和漏極需要跟二維材料手拉手。如果中間也卡著縫隙，電阻會(huì)噌噌往上漲。按照國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖的要求，未來(lái)芯片的接觸電阻得壓到一百八十歐姆每微米以下。如果縫隙還在，這個(gè)目標(biāo)基本不可能實(shí)現(xiàn)。所以只有把縫隙徹底消滅，才有機(jī)會(huì)摸到那個(gè)門(mén)檻。

（來(lái)源：Science）

不同類(lèi)型的絕緣材料在面對(duì)這個(gè)縫隙時(shí)，表現(xiàn)也是天壤之別。像氧化鉿這種已經(jīng)在用的老將，本身介電常數(shù)適中，縫隙帶來(lái)的額外厚度還能忍受。不過(guò)像鈦酸鍶這種靠離子極化吃飯的超高倍材料，對(duì)界面極度敏感。縫一出現(xiàn)，它的介電常數(shù)就會(huì)從幾百暴跌到幾十，徹底喪失優(yōu)勢(shì)。這說(shuō)明在微觀世界里，界面決定了命運(yùn)。

拉鏈?zhǔn)讲牧现阅苊摲f而出，是因?yàn)樗谠訉用嫔细淖兞擞螒蛞?guī)則。普通堆疊像是把兩本書(shū)隨便摞在一起。拉鏈?zhǔn)讲牧蟿t像是把兩頁(yè)紙的齒口對(duì)齊、狠狠壓實(shí)，化學(xué)鍵在界面處連續(xù)生長(zhǎng)，不存在真空區(qū)域，電場(chǎng)可以暢通無(wú)阻地穿過(guò)，不會(huì)在中間摔跟頭。

（來(lái)源：Science）

目前這種材料已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)了考驗(yàn)，研究人員用 BSO BOS 做出了實(shí)際器件。它的等效氧化物厚度做到了驚人的零點(diǎn)四納米甚至更低，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩開(kāi)了目前工業(yè)界的目標(biāo)，而且它跟二維半導(dǎo)體的配合相當(dāng)默契，電子在里面跑得飛快，并沒(méi)有因?yàn)榻缑娴母淖兌虾笸取?/p>

這項(xiàng)技術(shù)離大規(guī)模量產(chǎn)還有距離，因?yàn)槔準(zhǔn)讲牧闲枰Ц衿ヅ洌皇请S便找兩種材料就能拉上拉鏈。當(dāng)前，研究人員正在用計(jì)算機(jī)高速篩選成千上萬(wàn)種組合，并在使用 AI 幫忙預(yù)測(cè)哪些配對(duì)能長(zhǎng)出完美的拉鏈結(jié)構(gòu)。

對(duì)我們普通人來(lái)說(shuō)，這決定了未來(lái)十年的電子產(chǎn)品還能不能繼續(xù)變薄變強(qiáng)。例如手機(jī)能不能折疊成手表然后展開(kāi)成平板，筆記本電腦能不能薄如紙張，都取決于這些原子級(jí)別的縫隙能否被攻克，但這僅僅是個(gè)開(kāi)始，研究人員還在尋找更多能像拉鏈一樣緊密咬合的材料組合。

參考資料：

1. 相關(guān)論文https://www.nature.com/articles/s41928-026-01608-1

2. https://www.sciencedaily.com/releases/2026/05/260508003125.htm

3. https://scholar.google.com/citations?user=STFHEkMAAAAJ&hl=en