硅很棒。

从最初的台式电脑到袖珍超级电脑(我们称之为智能手机)，电子计算的稳步发展证明了硅的卓越价值，硅已经发展了70多年。

如果我们适当地制备硅，并将其塑造成晶体管，它既可以用作导体，也可以用作绝缘体，这取决于你通过的电荷，这是整个数字革命的基础，包括互联网，从TikTok到互联网的一切都是基于它。

但是硅的缺点越来越明显。微芯片的计算能力每两年可靠地翻倍，这就是所谓的摩尔定律，但是这个已经运行了几十年的定律已经变慢了，可能很快就会结束。据我们所知，使用目前的方法几乎不可能将元素蚀刻到最小尺寸小于约3纳米的硅(如晶体管)中。(从一个角度来看，3 nm的膜厚可以低至15个原子。因此，科技行业正在寻找其他奇妙的材料来取代旧的硅，或者至少与它结合，以大大提高其硅厚度和能力。

德州大学奥斯汀分校的德姬·阿金万德和他的同事展示了一个由硅和石墨烯制成的原型设备

德州大学奥斯汀分校的德姬·阿金万德和他的同事展示了一个由硅和石墨烯制成的原型设备，它可以检测冠状病毒粒子。

物理、化学和工程前沿的研究人员正在试验微芯片中使用的外来物质。它们包括石墨烯、黑磷、过渡金属二卤化物和氮化硼纳米片。一般来说，它们被称为二维材料，因为它们是只有一个原子或两个厚度的平板。它们直到20年前才为人所知，但现在它们已经在实验室中定期制造，使用普通混合器和复杂的高温气相沉积方法。

这项研究的一些结果已经可以在今天出售的设备中找到，但预计在未来十年将会出现更多，为我们的小工具带来新的功能。这些将包括新颖的功能，如智能手机中的红外夜视模式，以及强大的功能，如速度快10倍、能效更高的微芯片。这样可以实现新形式的人机交互，比如适合日常佩戴眼镜的增强现实系统。

听起来像科幻小说吗？其实有些是。由于各种原因，这些二维材料的许多潜在应用不会在短时间内实现，包括使用它们并将其与现有电子器件集成的困难，或者每年制造数十亿个器件的困难。

为了寻求帮助，研究人员必须对所有这些潜在的材料进行分类。一支小部队正在努力。他们来自数十所大学、国际商用机器公司、三星公司、TSMC公司、全球铸造厂以及世界上几乎所有其他大型芯片设计或制造公司。他们正在寻找理想特性和可制造性的正确组合，即可靠大规模生产的能力。

曼彻斯特大学超高真空室内创造的纳米级设备，大约有花粉粒大小。

所有二维材料的祖父是石墨烯。如果我们能像神奇的校车一样缩小自己，在它的表面盘旋，石墨烯看起来就像一个由碳原子组成的六边形平面。石墨烯就像铅笔里的石墨，但却排列成平面晶体。

它的存在在20世纪40年代被理论化，但直到2004年，研究人员才对它进行了适当的合成和表征。这为他们赢得了诺贝尔奖。)

石墨烯非常强，具有导热的天赋，因此它在保持智能手机及其电池凉爽和延长运动设备寿命方面得到了应用。因为其特性更类似于金或铜等其他导体，不太可能取代硅。但是它确实有许多独特的特性，这使得它在与传统的硅微芯片结合时非常有用。

总部位于圣地亚哥的初创公司卡达生物已经开始销售这种组合系统。它的新传感器“生物门控晶体管”将生物活性分子(如一些抗体)附着在石墨烯片上，石墨烯附着在硅片上。石墨烯不仅是一种良好的导体，而且对任何可能干扰其导电性的接触都很敏感。

卡迪亚生物公司的首席执行官迈克尔·赫尔岑说:“生物学的美妙之处在于它是技术，而且具有组织复杂性。”他补充说，石墨烯可以将模拟的生物世界转化为数字世界，在这个世界中，由人类工程师和人类构建的系统可以操作和收集数据。

初创公司Cardea Bio的“生物门控晶体管”可以与抗体或微生物等颗粒相互作用。

赫尔岑先生说，卡达生物的系统目前正在研究人员使用的仪器中出售。这种芯片有一天可以扫描液体中的特定有机分子，也就是说，几乎所有不同大小的有机物质都可以进入环境。该公司宣布，作为国防高级研究项目局资助的佐治亚理工学院项目的一部分，它正在制造一种传感器，可以检测气流中的冠状病毒颗粒。SARS-CoV-2可以在有人呼出病毒颗粒后不久，在建筑物中用这种设备检测出来。如果可行，它可能最终导致一个可以被重新编程来检测其他病原体的系统。

德克萨斯大学奥斯汀分校研究二维材料的教授德姬·阿金万德说，其他即将出现的石墨烯-硅团队合作包括超薄和超灵敏相机。这是因为石墨烯可以使光学传感器对光的灵敏度比硅制成的传感器高一百倍。此外，由于石墨烯基材料可以在更大范围的电磁光谱中被“看见”，因此微型、廉价和高分辨率的红外照相机就成为可能，并且这些照相机可以安装在智能手机中。这项技术已经处于原型阶段，可以让我们的智能手机摄像头看到物体产生的热量。

此外，阿基万德博士和他的同事预测，到本世纪中叶，二维材料对光的处理可能会使我们的设备升级更有意义。光将是微芯片和计算机中其他组件之间以及它们内部和之间更快、更有效的通信方式，从而加速微芯片和通信网络中电子被光子取代的速度。

阿基万德博士说，二维材料可能产生巨大影响的另一个领域是将微芯片堆叠在一起，例如高层建筑。硅堆栈已经广泛应用于闪存和移动设备芯片中，这些设备和移动设备芯片中的空间非常宝贵，比如Apple Watch内部。

Akinwande博士研究了基于石墨烯的晶体管阵列，用于生物过程的电子测量。

由于二维材料只有一个原子或两个厚度，它们可以在硅微芯片上生长，也可以单独生长，然后小心放置。宾夕法尼亚大学专门研究纳米技术的工程学教授Deep Jariwala说，这比仅堆叠硅层的方案有两个优势。首先，许多芯片可以在不增加芯片高度的情况下堆叠。第二个原因是一些二维材料(尤其是石墨烯)散热效果非常好，工程师可以用它们来做高地板，比传统微芯片跑得更快，而且不烧自己。

在曼彻斯特大学，研究人员创造了一种将二维材料堆叠在一起的超清洁设备。由于这些材料很容易被空气损坏，所有这些操作都必须在真空室中进行。

游乐场全球的风险资本家彼得·巴雷特(Peter Barrett)投资了从事下一代微芯片及其材料研究的公司，他说，将这一尖端制造技术转化为世界上最大的微芯片工厂(由TSMC、三星和全球晶圆厂(GlobalFoundries)等公司运营的所谓“晶圆厂”)可能发生的事情，是将2D材料变为现实的关键。

彼得·巴雷特说:“硅的成功在于它的可制造性。”

也许，几年或者几十年后，一旦我们对一些新颖的2-D材料有了足够的了解，并花费数十亿美元在全球半导体行业的规模上推出这些材料，其中一种或多种可能会取代硅。Jariwala博士说，它在我们计算机内部的一些主要应用中发挥了重要作用。

他补充说，这样的二维材料已经显示出了希望，因为它不同于石墨烯，它是一种很好的半导体，而这种二维材料就是二硫化钼。它已被用于制造灵活的电子设备和简单的微处理器。此外，它作为潜在的硅替代品的适用性并不孤单:它是数百(甚至数千)种有前途的材料的大家庭的一部分。像许多这样的物质一样，它面临的挑战之一是制造和处理它们可能很困难。

与此同时，彼得·巴雷特(Peter Barrett)表示，现有硅芯片的新应用，如量子计算和模仿人脑的“神经形态学”计算，将推动工程师将硅推向绝对的物理极限，并为未来在这一过程中的发展铺平道路。

从缩小电子产品和破解代码到云计算和人工智能，对我们硬件的需求增长速度超过了当前的技术。他补充说，足够的需求和实验室足够的进展可能最终证明，为了将2D材料带到中心舞台，我们付出的巨额投资是合理的。

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