据外媒宣布，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）研究职员正在研发下一代芯片，这种芯片具有更小、更薄、更高效的特点，更值得把稳的是，该芯片利用的材料为过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides，TMD）而非传统的硅（Si）。
硅基芯片的毛病1954年，贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利因发明晶体管而得到诺贝尔物理学奖。这一发明不仅改变了全体电子家当的发展轨迹，还奠定了当代信息社会的根本。并且，晶体管的发明也被誉为20世纪最主要的发明之一。
不过在最开始，晶体管紧张利用锗作为半导体材料。一方面受限于当时的技能，锗相对付硅来说更随意马虎进行提纯和加工。锗的熔点比硅低，这使得它在制造过程中更随意马虎处理。此外，锗的掺杂技能在当时更为成熟，能够更可靠地掌握材料的导电性能。
同时锗的禁带宽度比硅小（锗的禁带宽度约为0.67 eV，而硅的禁带宽度约为1.12 eV）。这意味着锗在室温下就能随意马虎地产生自由载流子（电子和空穴），从而更随意马虎导电。这对付早期的晶体管技能来说非常主要，由于它使得锗在室温下就可以有效地事情，而不须要额外的加热或其他条件。
并且在晶体管发明之前，锗已经被广泛研究用于其他电子运用，例如点打仗整流器。这种研究根本使得锗成为自然的选择，由于科学家和工程师对锗的性子已经有了一定程度的理解。
但锗作为半导体材料也有其明显的缺陷，紧张是在温度上升时其性能会低落。锗的电阻率随温度升高而迅速低落，这意味着在高温环境下，锗基晶体管可能会变得不稳定。
随着1959年罗伯特·诺伊斯和安迪·格鲁夫等人在仙童半导体公司改进了集成电路的设计，采取平面工艺，使得硅成为制造集成电路的紧张材料。并在随后的家傍边，硅逐步取代了锗。
但在发展半个世纪后，当前的硅基芯片已经开始面临着一些显著的问题，大多与物理极限、经济型和环境成分有关。如随着晶体管尺寸的减小，量子效应如隧道效应开始显现，导致电流泄露和旗子暗记滋扰，这降落了芯片的性能和可靠性。同时小尺寸晶体管会产生更多的热量，散热问题变得越来越严重，这限定了芯片的性能和密度。
如果利用其他材料来替代硅基制作芯片，就有可能办理这些问题。近几年来科研职员探索了许多新的材料如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP），可以在高频和高功率运用中表现出上风，而铟镓锌氧化物（IGZO），可以用于制造透明、柔性电子器件。
个中，TMD包括MoS2在内的一系列化合物，因其出色的光电、机器和热性能，被广泛视为后硅基半导体时期延续摩尔定律的空想候选材料之一。
芯片材料从三维走向二维所谓的TMD是一类具有MX2型构造的半导体材料，个中M代表过渡金属（如Mo、W等），X代表硫属元素（如S、Se、Te）。这类材料因其独特的能带构造、半导体或超导性子以及精良的机器性能等，在纳米电子器件和光电子学等领域具有广阔的运用前景。特殊是单层的TMD，例如MoS2，因其直接带隙的特性在光电探测领域显示出巨大的潜力。
据美国PPPL的研究职员透露，TMD可以薄至三个原子，靠外的两层可以采取硫族元素，或者也可以称为氧族元素。而中间的那层，可以用任何的过渡金属替代。
由于这种材料太薄，导致任何一层涌现确实或者多出原子等眇小的变革，都会影响到材料的性能。只管这种变革被称为“毛病”，但并不虞味着这种“毛病”是有害的。
研究职员表示，可以根据毛病的类型和性子来得到有益的材料，例如可以在材料中产生过量的电子，让其成为n型（即具有更多电子的材料）或产生更多的空穴形成p型（即具有更多空穴或正电荷的材料）。
在打算机芯片中利用n型和p型材料的组合可以供应更好的导电性，当前的一些半导体技能是通过掺杂来得到类似的特性。
并且与硅半导体比较，TMD具有可调节的带隙，可通过改变层数来掌握，最薄时只有一层，高度仅有三个原子。这也意味着比较过去的硅基材料，TMD可以利用不同的材料来制造，既灵巧又耐用。
早在2021年，南京工业大学前辈材料研究院黄维院士、闫家旭研究员团队便揭橥了干系论文，个中提到通过堆垛工程，可以在原子水平上调控TMD的光电性子，为后摩尔时期新器件的设计供应新的维度。开展二维材料堆垛调控研究将为后摩尔时期新器件的设计供应新的维度，从源头上办理集成工艺的兼容性问题，在芯片的根本问题研究和助推我国半导体芯片自主发展两方面都具有主要意义。
当然，只管这种材料非常梦幻，但研究仍处于相对根本的阶段，许多材料尚未被深入研究或合成，实际运用中还存在着稳定性、可制造性以及与现有硅基技能的兼容性等问题。
此外，TMD的电子器件性能，如载流子迁移率等，虽然具有潜在的上风，但目前尚未达到可以完备取代硅的水平。
从当前芯片的发展路径来看，台积电已经朝着1nm制程芯片进发，而其他公司也相继推出了2036年前亚纳米晶体管的发展路线图，而英特尔已经在研究用TMD制造晶体管。PPPL的研究院认为，到2030年，有望拥有一个可用于设备的真正TMD晶体管。
总结硅长期以来一贯是集成电路制造的紧张材料，但随着技能节点的不断缩小，硅基芯片碰着了物理极限和经济效率问题。这就须要有新的材料来替代硅从而延续摩尔定律，TMD便是个中之一，其在理论上具备延续摩尔定律的潜力，但要实现这一点，还须要在材料合成、器件加工和性能优化等方面取得更多打破性进展。随着科研事情者的不断努力，TMD在未来半导体技能中的运用前景是值得期待的。
