二维材料新发展与高科技材料产业

二维材料自石墨烯的发现后，陆陆续续发现了一千余种。原先的应用重心放在石墨烯上，但是石墨烯没有带隙，不能当做半导体。其他的二维材料，特别是过渡金属二硫属化合物(TMD)，却开始在半导体及其他应用大放异彩。譬如用MoS2、WSe2等做CMOS的通道材料，有效解决了纳米元件通道漏电和热耗散问题，使得纳米元件不必借诸3D几何形状以及其所需要的复杂制程。其他的应用如用CaF2当成介电物质、WS2(也是TMD)当成光子波导内层防光漏的材料等。

最近这方面的进展加速进行，特别是在半导体制程的持续微缩以及新元件的操作机制应用上。

先是三月台积电和交大擕手在《Nature》发表的在Cu(111)上长的单晶hBN(hexagonal Boron Nitride；六角形氮化硼)。它的长晶难处在于由于hBN有两种相，而其能量差极为微小，只有0.05eV，近乎简并态(degenerate state)。相对于在长晶退火时的能量尺度0.1eV这区别太小，因此退火后晶体会呈现不同相的领域(domain)。解决的方法是先在蓝宝石上长纯粹的Cu(111)晶体，由于Cu在边界有垂直的边缘，这个边缘有偏好的方向性，可以打破简并态的对称性，因此利用此边界可以在Cu(111)上长成单晶的hBN。

单晶的hBN可以置于MoS2与其上高k介电质HfO2之间，减少HfO2边缘悬空键对于在MoS2中流动电子的诱捕和散射。但是有没有像媒体讲得那麽神奇？可能没有，至少前一阵子才发表的CaF2宣称较诸hBN，其介电常数为高、漏电流较小、与周围物质晶格较匹配。纳米材料可以选择的很多，先用数据库选好候选材料再做实验可能最省力。

无独有偶的，三星最近也在《Nature》发表了非晶相氮化硼(a-BN；amorphous BN)，用途是在金属导线四周的介电质。a-BN的介电常数大、密度高，能减少金属导在线的铜离子迁移。有趣的是文章中a-BN拿来对照性能的材料是hBN，颇有互别苗头的意味。至于媒体中说此材料的发现会引导半导体范式的转变(paradigm shift)，这真是夸大其辞了。

更近的是用三层堆叠的WTe2半金属当成存储器材料。于WTe2三层上施加垂直电场，中间层会左右滑动，因而会改变这三层WTe2的拓朴性质以及电偶极方向；由于是拓朴性质，不易受周遭扰动，当成非挥发性存储器材料甚为合适。又由于二维材料层与层之间的作用力是凡得瓦力，层的移动所需能量甚低、速度很快，所以预期是一个写入速度快、低功耗的永久性存储器。具体的电性尚未量测，但这已开利用物质拓朴性质表达元件状态的先河。

近期这些材料应用的发现给了材料硏究的方向和策略一些启示。这些材料的应用没有发生在传统的材料大国德、日等，因为材料的制作不再只是合成，也不是单纯的长晶，传统材料大国的优势不再。这也不是有Material Genome Initiative这种大型材料数据库的美、中，当然也没有很早就建立二维材料硏究中心的新加坡。它发生的场景是精熟操控材料应用的台、韩。

这有点像是AI现在的发展场景：熟悉演算法的云端公司要下凡落地觉得是满地荆蕀，原来在现在这个阶段domain knowhow重要性胜于AI演算法。这样说来，我们在高科技材料产业也有个不错的切入点，而且市场我们也掌握了一大片。