前言

近幾年，全球半導體領(lǐng)域遭遇前所未有的物理極限——“量子隧穿效應”成為橫亙在芯片微縮道路上的一道高墻。晶體管尺寸持續(xù)下探至幾納米級別后，電子失控逸出、局部溫度驟升、整機功耗激增等問題日益凸顯，傳統(tǒng)光學光刻體系已逼近理論邊界。

與此同時，部分西方國家強化極紫外光刻設(shè)備出口管制，試圖以技術(shù)斷供方式延緩中國集成電路自主化進程。

令人矚目的轉(zhuǎn)折隨之出現(xiàn)：中國科研團隊另辟蹊徑，放棄路徑依賴，成功構(gòu)建出具備原子級精度的“單原子層金屬”材料體系！

美國《科技前沿觀察》刊文指出：中國正以顛覆性材料突破實現(xiàn)戰(zhàn)略躍遷，“原子尺度金屬”或?qū)氐赘膶懶酒讓舆壿嫞?/p>

量子隧穿效應

當前全球芯片制造業(yè)正直面一項根本性物理挑戰(zhàn)——量子隧穿效應，通俗而言即微觀尺度下的“電子逃逸現(xiàn)象”。

伴隨制程工藝從90納米躍進至3納米甚至更小，集成電路集成度呈指數(shù)級增長，運算能力與能效比同步攀升。

但當晶體管柵極長度壓縮至僅數(shù)個原子間距時，原本受勢壘約束的電子開始展現(xiàn)出顯著的波動性特征。

此時電子不再遵循經(jīng)典力學軌跡，而是以概率云形式穿透本應不可逾越的絕緣層，如同穿越無形屏障，這正是量子隧穿效應的直觀體現(xiàn)。

該效應已成為制約芯片性能躍升的核心物理瓶頸。

持續(xù)發(fā)生的非受控電流泄漏直接導致芯片溫升加劇、靜態(tài)功耗飆升、信號完整性惡化，系統(tǒng)可靠性顯著衰減。

日常場景中，智能手機持續(xù)運行后機身發(fā)燙、筆記本電腦風扇高頻嘯叫，其深層誘因皆可追溯至這一量子尺度的異常導電行為。

尤為嚴峻的是，該問題并非階段性困難，而是隨工藝節(jié)點持續(xù)演進而不斷加劇的固有物理規(guī)律限制。

為應對這一困局，國際半導體巨頭紛紛押注先進光刻路徑，其中尤以極紫外光刻機（EUV）為代表性解決方案。

EUV系統(tǒng)采用波長僅為13.5納米的超短波紫外光源，在硅基底表面實現(xiàn)亞5納米級圖形轉(zhuǎn)移，以此維系摩爾定律的技術(shù)延續(xù)性。

不過，EUV設(shè)備研發(fā)已步入深水區(qū)，單臺造價突破1.52億美元，且光學系統(tǒng)復雜度達到工程極限。

即便如此，它僅能緩解尺寸微縮帶來的部分問題，卻無法根除由量子效應引發(fā)的本質(zhì)性漏電與熱失控難題，反而因結(jié)構(gòu)進一步致密化使隧穿概率持續(xù)上升。

在此背景下，外部技術(shù)封鎖進一步加劇了我國高端芯片制造的供應鏈脆弱性。

中國的創(chuàng)新選擇

面對雙重壓力——外部設(shè)備禁運與內(nèi)在物理天花板，中國半導體科研力量果斷轉(zhuǎn)向底層范式革新，摒棄“在舊軌道上加速”的慣性思維，轉(zhuǎn)而探索從材料本征屬性破題的新路徑。

研究者深刻意識到：若繼續(xù)沿用傳統(tǒng)塊體金屬與硅基架構(gòu)，無論制程如何精進，終將撞上不可逾越的量子壁壘；唯有重構(gòu)材料維度，方能重塑電子輸運規(guī)則。

由此，“單原子層金屬”構(gòu)想正式落地。這類新型材料厚度嚴格限定于單個原子直徑量級，約為0.23納米，僅為人類發(fā)絲橫截面的約二十萬分之一，常規(guī)光學顯微鏡完全無法分辨其形貌。

單原子層金屬的誕生，標志著芯片材料學迎來歷史性拐點。

常規(guī)金屬內(nèi)部存在強方向性的金屬鍵網(wǎng)絡，原子通過離域電子云形成三維空間密堆積結(jié)構(gòu)。

生活中常見的鋁箔、不銹鋼、銅導線等宏觀金屬制品，均是此類穩(wěn)定三維構(gòu)型的宏觀外顯。

長期以來，物理學界普遍認為金屬元素天然排斥二維平面排布，因其傾向于通過多向成鍵降低體系能量，自發(fā)形成團簇或晶粒。

但中國科學家打破思維定式，依托原創(chuàng)性合成策略，首次實現(xiàn)了過渡族金屬在二維平面上的可控單層鋪展。

中科院物理所團隊獨創(chuàng)“原子限域嵌入法”，以單層石墨烯或六方氮化硼為剛性模板，構(gòu)筑納米級三明治夾層結(jié)構(gòu)，再引入金屬前驅(qū)體分子。

在超高真空與精準溫控條件下，金屬原子被強制限制在二維腔室內(nèi)擴散，無法完成三維成核過程，最終在基底表面自組裝成高度有序、無缺陷的單原子厚度金屬晶格。

這項成果不僅刷新了固體物理對金屬穩(wěn)定構(gòu)型的傳統(tǒng)認知，更被國際權(quán)威期刊《自然·材料》評價為“重新定義金屬存在形態(tài)的里程碑式工作”。

研究人員通過毫秒級脈沖調(diào)控與原位表征技術(shù)，精確引導每個金屬原子沿預設(shè)晶格位置錨定，最終獲得具備優(yōu)異電學特性的二維金屬薄膜。

單原子層金屬的優(yōu)勢

單原子層金屬的問世，預示著芯片產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷一場靜默卻深刻的范式遷移。

在傳統(tǒng)三維金屬導體中，電子運動路徑雜亂無章，頻繁遭受晶格振動與雜質(zhì)散射，產(chǎn)生大量焦耳熱與能量耗散，這正是芯片發(fā)熱與續(xù)航縮水的物理根源。

而在單原子層金屬中，電子被約束于二維平面內(nèi)，其運動呈現(xiàn)高度彈道輸運特征，散射事件大幅減少，能量轉(zhuǎn)換效率顯著提升。

實測數(shù)據(jù)顯示，基于該材料制備的場效應晶體管，關(guān)態(tài)漏電流密度較主流硅基器件下降達三個數(shù)量級。

這意味著新一代芯片可在同等算力下實現(xiàn)功耗削減90%以上，徹底擺脫散熱焦慮，整機熱設(shè)計復雜度大幅降低。

未來智能終端或?qū)崿F(xiàn)無風扇靜音運行，移動設(shè)備單次充電續(xù)航時間有望延長40%以上，邊緣AI計算單元亦可部署于更緊湊的空間環(huán)境。

更具深遠意義的是，單原子層金屬的應用，正在弱化光刻工藝在芯片制造中的絕對主導地位。

過去數(shù)十年，行業(yè)始終依靠不斷提升光刻分辨率來壓縮晶體管體積，從而換取性能增益。

而新材料體系允許工程師在更大尺度上構(gòu)建高性能器件，通過調(diào)控量子限域效應與界面態(tài)工程，實現(xiàn)等效于2納米以下節(jié)點的電學性能，使光刻機這一“半導體皇冠上的明珠”逐步讓位于材料創(chuàng)新平臺。

這種轉(zhuǎn)變意味著芯片發(fā)展邏輯正從“尺寸驅(qū)動”轉(zhuǎn)向“原理驅(qū)動”，從“制造精度競賽”升級為“材料基因競爭”。

在此進程中，中國不僅掌握了關(guān)鍵材料的原始創(chuàng)新權(quán)，更實質(zhì)性參與全球半導體技術(shù)路線圖的制定權(quán)重構(gòu)。

盡管產(chǎn)業(yè)化仍需攻克大面積均勻生長、空氣穩(wěn)定性增強、異質(zhì)集成兼容性等關(guān)鍵技術(shù)關(guān)卡，但中科院已發(fā)布清晰實施綱要：2025年完成百片級中試驗證，2027年前建成首條單原子層金屬專用產(chǎn)線并實現(xiàn)噸級量產(chǎn)。

這一明確的時間表，彰顯出我國面向前沿科技主戰(zhàn)場的戰(zhàn)略定力與執(zhí)行魄力。

隨著更多原創(chuàng)成果加速轉(zhuǎn)化，中國正從全球半導體價值鏈的參與者，躍升為底層規(guī)則的共同塑造者，并有望引領(lǐng)下一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的范式革命。

這場靜水流深的“材料級芯片革命”已然啟幕，未來技術(shù)版圖將由多元創(chuàng)新力量協(xié)同繪制，而中國已在新賽道上占據(jù)關(guān)鍵起跑位，為世界半導體演進注入全新動能與確定性。

結(jié)語

單原子層金屬的成功研制，既是中國集成電路自主創(chuàng)新的重大標志性成果，更是全球半導體發(fā)展史上的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點。

它不僅有效對沖了外部技術(shù)圍堵帶來的短期壓力，更以底層材料突破為支點，撬動整個產(chǎn)業(yè)技術(shù)范式的根本性重構(gòu)。

展望未來，隨著該材料體系從實驗室走向產(chǎn)線，從原型器件邁向系統(tǒng)集成，一個不依賴極端光刻、不囿于尺寸競賽、而以量子調(diào)控與材料智能為核心的新芯片時代正加速到來。

參考資料：

2025年國內(nèi)十大科技新聞——國際上首次制備大面積二維金屬材料

新華網(wǎng)——全球半導體產(chǎn)業(yè)格局生變

人民日報——2025，中國科技有多“硬核”！

財聯(lián)社——量子隧穿過程新觀測顛覆傳統(tǒng)認知 為半導體和量子計算機的技術(shù)發(fā)展提供新思路