二維半導體材料的研究前景？

01-06

2004年graphene發現以後，2D materials的研究立刻進入火熱狀態，直到今天已經有十年之久，對於二維半導體材料，例如像graphene，WS2，MoS2。。。。的device研究還有什麼前景呢？

首先更正下題干，石墨烯Graphene不屬於半導體，科學上定義石墨烯是半金屬材料。

關於TMDC的如MoS2 WS2 WSe2以及黑磷等二維材料，其半導體性質的device研究主要集中在以下方面：

高性能的場效應晶體管FET，依據生長方式的優化，遷移率能達到100cm2/Vs量級，二維材料作為半導體，在溝道長度10nm以下有著超越單晶硅的優勢。詳見我之前的文章後摩爾定律時代的CPU材料。
基於PN結的高性能光探測器photodetector，依據材料不同可以製備不同探測波長的photodetector，可填補傳統材料探測波長的空白。
Phototransistor，這是最近火熱的方向，將發光器件和控制開關transistor集成在同一device上，最大的好處是將來有望增加顯示屏的開口率，實現超高分辨的顯示器件。
PN 同質、異質結的器件物理，電子傳輸的研究。
其他類感測器

現在制約二維材料的核心問題還是材料生長，無法得到大面積高性能的二維材料。使得二維材料熱了這麼多年也沒有走出實驗室。

我把我在另一個差不多問題的答案複製過來給大家參考一下。

現在焦點已經從單一的二維材料轉向了由二維材料組成的heterostructure. 因為單一的二維材料，ie, graphene, WS2, MoS2, WSe2, etc, 已經被研究的差不多了，該測的性能也都測的差不多了，該做的device也差不多要窮盡了。但是2D material heterostructure 的領域還有很多可能性沒有嘗試，也還有很多沒有被挖掘的特殊性能。

如果對這個領域發展感興趣，並且想深入了解一下，建議讀一下2015 年的一篇review paper, Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems. DOI: 10.1039/c4nr01600a.

個人認為二維材料的研究還有相當廣闊的空間，一個最具潛力的方嚮應該是構建范德華異質結構，即就是把這些不同性質的二維材料層間堆疊形成新的人工結構。這類結構Nature, Science上有多篇perspective文章論述，初期研究結果已經表明可以實現豐富的器件功能。而我們都知道junctions在modern electronics/optoelectronics上重要性，在未來器件小型化合集成化程度不斷提高的大趨勢下，二維材料異質結必然是下一代電子學和光電子學最關鍵的要素。目前這方面的研究還處在初步階段，首先器件製備就相當麻煩，如果使用機械剝離再逐層轉移的方法構建vdw異質結構，顯然是費時費力十分低效的，因此直到現在國際上也僅有少數的幾個課題組進行了研究報道。如果未來能實現vdW異質結的大批量製備，其應用潛力才可能被充分挖掘。對這一點，我個人持樂觀態度。

基本都是在灌水

MoS2灌完了還可以灌NbS2， VS2，IrS2.。。。

唔，困惑了我很久很久的問題，拋磚引玉，個人持中立態度。雖然，現在學術界大家都在想著給工業化生產鋪路，但是更多的人，還是樂意避難求易，要麼用機械剝離追求新型器件，更高的性能，要麼就是用CVD長各類新材料（這一塊我不是很了解，若是有誤請指教）。我們組主要就是集中在研發過渡金屬硫化物二維半導體材料的新型器件。學界里，新興的實驗室一直在鼓吹我的器件有多牛，多麼獨特的性能；而傳統的從si基材料走過來，或者正在做IC的教授們從炭基材料開始就對這些新玩意兒不感冒，覺得沒前景。工業上，一些大大大公司有實力去支持實驗室做前期研發的，都在行動，誰也不希望在起步的時候就沒跟上，但這些器件也都是實驗室階段（大學實驗室哦，還不是企業實驗室）。不要和我提石墨烯網球拍，石墨烯燈泡。。。。。而一些新興的高科技公司，打著石墨烯的旗號，主要還是原材料的生產，或者利用物理吸附啊那些性能，和咱們不是一個方向上的（若是有同行知道哪個公司，在搞二維電子器件的研發，告我，馬上我就去應聘）。咱們的目標是在工業上實現二維集成電路，進軍si基市場，甚至取代之。

很可惜的是，我現在就是實驗室里的小碩一枚，對於工業的了解，都是道聽途說的，實在沒有渠道更沒有能力自己去下這個判斷。但，有一點可以肯定的是，在工業上的應用再等一個十年能出來，我也會很開心的。私心裡，還是希望他能慢慢長大，變成一個頂天立地的漢子。這樣也不枉費我嫁給他，耗費了最美的年華。

2015/8/5 22:00 補充

推薦一個MOOC課，edx里搜索

ChalmersX: ChM001x Introduction to Graphene Science and Technology，裡面預測5-10年內可以實現商業應用，還是好樂觀的哈。老師是在國外當研究員的中國人，英語超級慢，肯定能聽懂

繼05年石墨烯被成功製備出來後，陸續發現了類似結構的過渡族金屬硫化物（WS2，MoS2）。之所以被學界熱炒，是因為大（hu）牛(you)們提出了了一個新的概念：谷電子學。即發現了繼電子電荷，自旋後又一個可調控的新的自由度valley。傳統的電子學通過電荷來傳遞信息，並取得了巨大成功，摩爾定律的即將終結也預示了傳統電子學已經發展到了極限。能否找到新的材料來代替目前的硅基電子學？二維材料中的過渡族金屬硫化物貌似是一個不錯的方向。但是竊以為僅僅是停留在理論上的可能，想想多年前的搞碳納米管,C60的人去哪了.......咦，不是正在搞石墨烯么？

如果三年不死，倒是有點前途，三年內如果做的人少了，前途不大

Graphene最開始提出來設想替代Si（老師這樣說），如果可以的話，它的如此優良性質比如高遷移率等優點將會使原來的Si 基器件發生天翻地覆的變化，however，以目前來看幾乎不可能了。但就此一把拍死所有的2D材料也不合理，Graphene和一些其他材料結合起來做一些器件還是對器件性能有所提高的。ps：石墨烯和Si基一起做光電探測器、太陽能電池等。怎麼說呢，這些材料會產生一些積極的作用，但完全顛覆，幾乎不太可能，畢竟人類把Si已經做到如此成熟了……另外，最近很火的黑磷好像在空氣中不太穩定。。。又一個步石墨烯後塵的，且慢，先讓大家水幾篇文章再說。。。

一本正經的胡說八道，給我打死他！！溜了。。

保持關注……

本土鱉博正是要做這個

丟掉了最近比較熱門一類2D材料——black phosphorus，這裡補充一下；補充這個BP，還有個原因是這種材料的許多同素異形體也是2D的。過段時間，要是還沒有答主答題的話，我就嘗試著回答一下吧。