前言

近幾年，全球半導(dǎo)體領(lǐng)域遭遇前所未有的物理極限——“量子隧穿效應(yīng)”成為橫亙?cè)谛酒⒖s道路上的一道高墻。晶體管尺寸持續(xù)下探至幾納米級(jí)別后，電子失控逸出、局部溫度驟升、整機(jī)功耗激增等問題日益凸顯，傳統(tǒng)光學(xué)光刻體系已逼近理論邊界。

與此同時(shí)，部分西方國(guó)家強(qiáng)化極紫外光刻設(shè)備出口管制，試圖以技術(shù)斷供方式延緩中國(guó)集成電路自主化進(jìn)程。

令人矚目的轉(zhuǎn)折隨之出現(xiàn)：中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，放棄路徑依賴，成功構(gòu)建出具備原子級(jí)精度的“單原子層金屬”材料體系！

美國(guó)《科技前沿觀察》刊文指出：中國(guó)正以顛覆性材料突破實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略躍遷，“原子尺度金屬”或?qū)氐赘膶懶酒讓舆壿嫞?/p>

量子隧穿效應(yīng)

當(dāng)前全球芯片制造業(yè)正直面一項(xiàng)根本性物理挑戰(zhàn)——量子隧穿效應(yīng)，通俗而言即微觀尺度下的“電子逃逸現(xiàn)象”。

伴隨制程工藝從90納米躍進(jìn)至3納米甚至更小，集成電路集成度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，運(yùn)算能力與能效比同步攀升。

但當(dāng)晶體管柵極長(zhǎng)度壓縮至僅數(shù)個(gè)原子間距時(shí)，原本受勢(shì)壘約束的電子開始展現(xiàn)出顯著的波動(dòng)性特征。

此時(shí)電子不再遵循經(jīng)典力學(xué)軌跡，而是以概率云形式穿透本應(yīng)不可逾越的絕緣層，如同穿越無形屏障，這正是量子隧穿效應(yīng)的直觀體現(xiàn)。

該效應(yīng)已成為制約芯片性能躍升的核心物理瓶頸。

持續(xù)發(fā)生的非受控電流泄漏直接導(dǎo)致芯片溫升加劇、靜態(tài)功耗飆升、信號(hào)完整性惡化，系統(tǒng)可靠性顯著衰減。

日常場(chǎng)景中，智能手機(jī)持續(xù)運(yùn)行后機(jī)身發(fā)燙、筆記本電腦風(fēng)扇高頻嘯叫，其深層誘因皆可追溯至這一量子尺度的異常導(dǎo)電行為。

尤為嚴(yán)峻的是，該問題并非階段性困難，而是隨工藝節(jié)點(diǎn)持續(xù)演進(jìn)而不斷加劇的固有物理規(guī)律限制。

為應(yīng)對(duì)這一困局，國(guó)際半導(dǎo)體巨頭紛紛押注先進(jìn)光刻路徑，其中尤以極紫外光刻機(jī)（EUV）為代表性解決方案。

EUV系統(tǒng)采用波長(zhǎng)僅為13.5納米的超短波紫外光源，在硅基底表面實(shí)現(xiàn)亞5納米級(jí)圖形轉(zhuǎn)移，以此維系摩爾定律的技術(shù)延續(xù)性。

不過，EUV設(shè)備研發(fā)已步入深水區(qū)，單臺(tái)造價(jià)突破1.52億美元，且光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜度達(dá)到工程極限。

即便如此，它僅能緩解尺寸微縮帶來的部分問題，卻無法根除由量子效應(yīng)引發(fā)的本質(zhì)性漏電與熱失控難題，反而因結(jié)構(gòu)進(jìn)一步致密化使隧穿概率持續(xù)上升。

在此背景下，外部技術(shù)封鎖進(jìn)一步加劇了我國(guó)高端芯片制造的供應(yīng)鏈脆弱性。

中國(guó)的創(chuàng)新選擇

面對(duì)雙重壓力——外部設(shè)備禁運(yùn)與內(nèi)在物理天花板，中國(guó)半導(dǎo)體科研力量果斷轉(zhuǎn)向底層范式革新，摒棄“在舊軌道上加速”的慣性思維，轉(zhuǎn)而探索從材料本征屬性破題的新路徑。

研究者深刻意識(shí)到：若繼續(xù)沿用傳統(tǒng)塊體金屬與硅基架構(gòu)，無論制程如何精進(jìn)，終將撞上不可逾越的量子壁壘；唯有重構(gòu)材料維度，方能重塑電子輸運(yùn)規(guī)則。

由此，“單原子層金屬”構(gòu)想正式落地。這類新型材料厚度嚴(yán)格限定于單個(gè)原子直徑量級(jí)，約為0.23納米，僅為人類發(fā)絲橫截面的約二十萬分之一，常規(guī)光學(xué)顯微鏡完全無法分辨其形貌。

單原子層金屬的誕生，標(biāo)志著芯片材料學(xué)迎來歷史性拐點(diǎn)。

常規(guī)金屬內(nèi)部存在強(qiáng)方向性的金屬鍵網(wǎng)絡(luò)，原子通過離域電子云形成三維空間密堆積結(jié)構(gòu)。

生活中常見的鋁箔、不銹鋼、銅導(dǎo)線等宏觀金屬制品，均是此類穩(wěn)定三維構(gòu)型的宏觀外顯。

長(zhǎng)期以來，物理學(xué)界普遍認(rèn)為金屬元素天然排斥二維平面排布，因其傾向于通過多向成鍵降低體系能量，自發(fā)形成團(tuán)簇或晶粒。

但中國(guó)科學(xué)家打破思維定式，依托原創(chuàng)性合成策略，首次實(shí)現(xiàn)了過渡族金屬在二維平面上的可控單層鋪展。

中科院物理所團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)“原子限域嵌入法”，以單層石墨烯或六方氮化硼為剛性模板，構(gòu)筑納米級(jí)三明治夾層結(jié)構(gòu)，再引入金屬前驅(qū)體分子。

在超高真空與精準(zhǔn)溫控條件下，金屬原子被強(qiáng)制限制在二維腔室內(nèi)擴(kuò)散，無法完成三維成核過程，最終在基底表面自組裝成高度有序、無缺陷的單原子厚度金屬晶格。

這項(xiàng)成果不僅刷新了固體物理對(duì)金屬穩(wěn)定構(gòu)型的傳統(tǒng)認(rèn)知，更被國(guó)際權(quán)威期刊《自然·材料》評(píng)價(jià)為“重新定義金屬存在形態(tài)的里程碑式工作”。

研究人員通過毫秒級(jí)脈沖調(diào)控與原位表征技術(shù)，精確引導(dǎo)每個(gè)金屬原子沿預(yù)設(shè)晶格位置錨定，最終獲得具備優(yōu)異電學(xué)特性的二維金屬薄膜。

單原子層金屬的優(yōu)勢(shì)

單原子層金屬的問世，預(yù)示著芯片產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷一場(chǎng)靜默卻深刻的范式遷移。

在傳統(tǒng)三維金屬導(dǎo)體中，電子運(yùn)動(dòng)路徑雜亂無章，頻繁遭受晶格振動(dòng)與雜質(zhì)散射，產(chǎn)生大量焦耳熱與能量耗散，這正是芯片發(fā)熱與續(xù)航縮水的物理根源。

而在單原子層金屬中，電子被約束于二維平面內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)高度彈道輸運(yùn)特征，散射事件大幅減少，能量轉(zhuǎn)換效率顯著提升。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，基于該材料制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，關(guān)態(tài)漏電流密度較主流硅基器件下降達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)。

這意味著新一代芯片可在同等算力下實(shí)現(xiàn)功耗削減90%以上，徹底擺脫散熱焦慮，整機(jī)熱設(shè)計(jì)復(fù)雜度大幅降低。

未來智能終端或?qū)?shí)現(xiàn)無風(fēng)扇靜音運(yùn)行，移動(dòng)設(shè)備單次充電續(xù)航時(shí)間有望延長(zhǎng)40%以上，邊緣AI計(jì)算單元亦可部署于更緊湊的空間環(huán)境。

更具深遠(yuǎn)意義的是，單原子層金屬的應(yīng)用，正在弱化光刻工藝在芯片制造中的絕對(duì)主導(dǎo)地位。

過去數(shù)十年，行業(yè)始終依靠不斷提升光刻分辨率來壓縮晶體管體積，從而換取性能增益。

而新材料體系允許工程師在更大尺度上構(gòu)建高性能器件，通過調(diào)控量子限域效應(yīng)與界面態(tài)工程，實(shí)現(xiàn)等效于2納米以下節(jié)點(diǎn)的電學(xué)性能，使光刻機(jī)這一“半導(dǎo)體皇冠上的明珠”逐步讓位于材料創(chuàng)新平臺(tái)。

這種轉(zhuǎn)變意味著芯片發(fā)展邏輯正從“尺寸驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)向“原理驅(qū)動(dòng)”，從“制造精度競(jìng)賽”升級(jí)為“材料基因競(jìng)爭(zhēng)”。

在此進(jìn)程中，中國(guó)不僅掌握了關(guān)鍵材料的原始創(chuàng)新權(quán)，更實(shí)質(zhì)性參與全球半導(dǎo)體技術(shù)路線圖的制定權(quán)重構(gòu)。

盡管產(chǎn)業(yè)化仍需攻克大面積均勻生長(zhǎng)、空氣穩(wěn)定性增強(qiáng)、異質(zhì)集成兼容性等關(guān)鍵技術(shù)關(guān)卡，但中科院已發(fā)布清晰實(shí)施綱要：2025年完成百片級(jí)中試驗(yàn)證，2027年前建成首條單原子層金屬專用產(chǎn)線并實(shí)現(xiàn)噸級(jí)量產(chǎn)。

這一明確的時(shí)間表，彰顯出我國(guó)面向前沿科技主戰(zhàn)場(chǎng)的戰(zhàn)略定力與執(zhí)行魄力。

隨著更多原創(chuàng)成果加速轉(zhuǎn)化，中國(guó)正從全球半導(dǎo)體價(jià)值鏈的參與者，躍升為底層規(guī)則的共同塑造者，并有望引領(lǐng)下一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的范式革命。

這場(chǎng)靜水流深的“材料級(jí)芯片革命”已然啟幕，未來技術(shù)版圖將由多元?jiǎng)?chuàng)新力量協(xié)同繪制，而中國(guó)已在新賽道上占據(jù)關(guān)鍵起跑位，為世界半導(dǎo)體演進(jìn)注入全新動(dòng)能與確定性。

結(jié)語(yǔ)

單原子層金屬的成功研制，既是中國(guó)集成電路自主創(chuàng)新的重大標(biāo)志性成果，更是全球半導(dǎo)體發(fā)展史上的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

它不僅有效對(duì)沖了外部技術(shù)圍堵帶來的短期壓力，更以底層材料突破為支點(diǎn)，撬動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)范式的根本性重構(gòu)。

展望未來，隨著該材料體系從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)線，從原型器件邁向系統(tǒng)集成，一個(gè)不依賴極端光刻、不囿于尺寸競(jìng)賽、而以量子調(diào)控與材料智能為核心的新芯片時(shí)代正加速到來。

參考資料：

2025年國(guó)內(nèi)十大科技新聞——國(guó)際上首次制備大面積二維金屬材料

新華網(wǎng)——全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局生變

人民日?qǐng)?bào)——2025，中國(guó)科技有多“硬核”！

財(cái)聯(lián)社——量子隧穿過程新觀測(cè)顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知 為半導(dǎo)體和量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展提供新思路