維也納科技大學（TU Wien）的研究人員發現，超薄 2D 材料與絕緣層之間長期被忽略的奈米級間隙，可能阻礙多種有前景的晶片材料實現半導體產業預期的微型化進展。研究團隊指出，許多因電子特性而備受推崇的 2D 材料，一旦整合進實際裝置中，便可能變得不適合使用。問題並非出在材料本身，而是其與電晶體內必需的絕緣氧化層互動方式。諸如石墨烯及二硫化鉬等 2D 材料，因僅有一至數層原子厚度，被視為未來晶片候選，能打造更小、更省電的電子產品。
但 TU Wien 研究員強調，裝置設計無法孤立評估這些材料，與絕緣體配對時，多數組合會產生不可避免的微觀分離，削弱電控效能。
隱藏間隙問題
「多年來，研究人員對石墨烯或二硫化鉬等新型 2D 材料的出色電子特性著迷，這完全合理，」Mahdi Pourfath 教授表示。「但往往忽略的是，單一 2D 材料無法構成電子裝置，還需絕緣層，通常為氧化物。」在電晶體中，閘極電極需透過盡可能薄的絕緣層，切換半導體的導通與非導通狀態。然而，研究發現，多種 2D 材料與氧化物的鍵結薄弱，產生約 0.14 納米的間隙。
雖然微小，卻大幅降低層間電容耦合，限制閘極對裝置的控制效果。「許多 2D 材料與絕緣層組合的鍵結相對薄弱，僅靠范德華力維繫，」Tibor Grasser 教授補充。這間隙可能成為未來晶片縮小化的真正瓶頸，即使材料在實驗室測試中表現優異。
研究團隊提出「拉鍊材料」作為前進方向，此結構讓半導體與絕緣體更緊密互鎖，而非鬆散附著，從而消除問題間隙，恢復電晶體縮放所需的效能。
「若半導體產業欲成功應用 2D 材料，活性層與絕緣層須從一開始共同設計，」Pourfath 表示。「我們的研究對產業是好消息，能預測哪些材料適合未來微型化，哪些不行，」Grasser 說。這發現有助晶片製造商避免在面臨物理極限前的材料系統上投入巨資。隨著產業尋找矽的繼任者，研究顯示，下一步突破或更依賴多層介面的工程，而非單一奇蹟材料。研究刊載於《Science》期刊。
| 關鍵規格 | 描述 |
|———-|——|
| 間隙大小 | 約 0.14 納米 |
| 鍵結類型 | 范德華力（多數組合） |
| 影響 | 降低電容耦合，限制閘極控制 |
| 解決方案 | 拉鍊材料（緊密互鎖結構） |