这两天听孙亚飞的前沿材料学报告，还是挺有感触的，中国虽然在某些领域被卡脖子，但也在某些材料学领域是处于世界顶级水平的，也不乏诺奖级别的卓越科学家，在我们所不知道的地方从事着许多颠覆性的前沿科研工作。
1.为什么芯片这么难？
可以从芯片材料和刻录技术两方面来谈谈看。
目前芯片所用的材料是单晶硅，芯片领域有一个摩尔定律：每隔18个月，芯片性能翻番。这个定律已经横行了半个世纪，近十年遭遇了瓶颈。而芯片性能提升，是通过在有限空间内能放下更多半导体电路来实现的。目前世界最好水平已经把电路尺寸做到了5纳米，然后迟迟没法再降到3纳米。这里说一句，目前中国电路尺寸还在从28纳米向14纳米发展，差了一个数量级，所以说中国的芯片落后是个事实。
单晶硅的极限也就是在5纳米了，因为再往微观尺寸发展，会出现几个问题。
一叫“量子隧穿”，尺寸越小，电子越无法控制的会穿过单晶硅，这样就没法再作为芯片使用。
二叫边缘原子“悬挂”，就是尺寸越小，边缘的硅原子落单的就越多，越不能形成以化学键紧密结合的四面体结构，而导致这些孤立原子更多的会与其他杂原子结合，降低芯片纯度，增加芯片出错概率。
再来看看刻录技术。现在是用光刻机，用激光把电路雕刻出来。芯片电路的精细度与光刻技术的精密度是正相关的。而光刻机的精度提高发展到现在，也和电路尺寸一样遭遇了瓶颈。
2.芯片的出路可能在哪些新材料上？
本来石墨烯作为二维材料的代表其实是很有希望角逐芯片未来新宠的角色的，但是它有一个很致命的问题：单层石墨烯难以稳定存在，而多层石墨烯一旦叠加马上就会粘在一起，很难分离。但有空下次可以说说科学家最新发现的魔角石墨烯，是一种很有意思的特殊形态下，能实现超导向绝缘转换的石墨烯。
好，那今天就为大家分享一下孙博士所介绍的另一种二维新材料，叫二硫化钼。它的优势刚好是上面所说的第一点里目前单晶硅所无法解决的。首先，它是三层原子形成的二维结构，且不像石墨烯，三层原子间作用力不强，不会紧紧的粘在一起。电子无法在层间自由活动，因此可以抵抗“量子隧穿”效应。其次，它的三层结构使得没有边缘孤原子形成悬挂键，其他原子也进不来，所以不会和其他原子键合，就不会影响到芯片的纯度。最后，因为它是用化学沉积法可以直接在基底材料上进行“定向生长”的，而不需要通过蚀刻技术，那就意味着它可能能直接绕开目前的光刻技术，打破光刻瓶颈。
听起来特别美好是不是？那就马上用起来啊！可惜。这种新材料其实也不是最近两年才发现的，但想要实现规模化生产，难度还是很大的。
再讲到光刻技术，这里讲一个关于“第四物态”，叫做等离激元纳米颗粒。大家对光电效应肯定不陌生，就是光照射在材料表面可以把电子激发出来的一种现象，太阳能电池利用的就是这个原理，可是可见光能量有限，能激发的电子更是有限。
而等离激元纳米颗粒，就是纳米尺寸下利用光电效应的元器件，精度很高，可见光即可激发很高的电子能量，可以打破现有光刻技术瓶颈。令人振奋的是，这个材料不同于二硫化钼的研究，中国目前处于世界顶尖的第一梯队水平，且能够实现产业化的可能性更高。
这些前沿新材料的发展与产业化，有可能有很长，但也可能是很短的一段路要走。毕竟人类社会的科技发展到了现今，是爆炸式进步。就像人猿的第一次抬头仰望星空，到实现太空探索，从发现到实现，“就只有一步之遥”。这是科学的看上去遥不可及，却往往会发生“转角遇到爱”的神奇。这就是科学的魅力，这就是材料学的魔力。
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