2026 年 10 月 9 日
在二硫化钼上的介电层原子层沉积生长，其中由煤炭衍生的碳纳米点提供核化中心。图片来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校工程学院
硅基微电子曾推动数字革命，但其性能与效率正逐渐逼近物理极限。二维材料被视为延续摩尔定律的关键候选者：它们仅有一个原子厚度，即便在面临显著扩展挑战的尺寸下，仍能保持出色的电子性能。然而，这种独特的结构特征也带来了制造难题——如何在缺乏传统化学键合位点的二维材料上集成实际设备。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）Grainger 工程学院材料科学与工程教授曹青（Qing Cao）及其团队与美国能源部国家能源技术实验室（NETL）合作，发现了一种意想不到的解决方案：利用煤炭加工制成的碳纳米点作为原子尺度的界面粘合剂。
这些宽度为 1 至 5 纳米、厚度仅为一个原子层的类石墨烯粒子，能够促进与石墨烯和二硫化钼等二维材料的集成。关键在于，它们不会干扰二维通道的特性，而是提供了干净的接口，支持超薄且热稳定的介电层生长。
突破行业目标的技术参数
研究团队在《自然通讯》杂志上发表报告指出，该方法制造的介电层性能超过了 IEEE 在“国际设备和系统路线图”中设定的行业目标。具体数据显示，其等效氧化物厚度达到 0.6 纳米，泄漏电流密度低于每平方厘米 0.1 毫安培。
此外，基于此方法制造的场效应晶体管和集成逻辑门可在约 0.5 伏电压下工作。这一数值远低于当前先进技术典型的 0.6 到 0.8 伏操作范围，意味着计算能耗的显著降低。
解决二维半导体的整合瓶颈
以二硫化钼为代表的二维半导体在器件应用中极具前景，主要得益于其原子级薄度以及表面不存在“悬挂键”（即未参与化学键合的自由表面电子）。虽然悬挂键的缺失减少了散射并提升了晶体管的小型化潜力，但也使得绝缘介电层的直接生长变得极为困难。
在传统三维材料中，悬挂键允许通过化学蒸汽沉积和原子层沉积成熟工艺生长绝缘膜。但对于二维材料，如何在其表面生长功能层一直是长期存在的技术障碍。“从规模角度看，缺乏悬挂键极具吸引力，但同时也构成了巨大的整合挑战。”曹青表示。
碳纳米点的作用机制与制备工艺
研究人员发现，煤炭衍生碳纳米点的独特结构使其成为理想的核化中心。由于范德瓦尔斯力的作用，纳米点的石墨烯状面能对二维材料产生吸引力，无需形成化学键即可接触；与此同时，纳米点边缘的功能基团能与顶部的氧化物绝缘体结合。这种机制在不改变半导体化学结构的前提下，实现了介电材料与二维半导体的连接。
为了实现紧密排列，团队采用了朗缪尔-谢弗（Langmuir-Schaefer）组装技术。首先将纳米点分散于有机溶剂中，滴在水面上形成薄层，随后通过机械挤压形成紧密的单层，最后转移至二维半导体表面。在此基础上，通过原子层沉积（ALD）工艺，碳点单层成功诱导生长出光滑、超薄的高介电常数氧化物。
面向工业应用的纯度控制
尽管煤炭常被视为污染源，但该研究重点在于确保材料的极高纯度，以满足微电子制造的要求。曹青强调：“我们付出了巨大努力，确保获得的材料具有极高的纯度，并保证单层中没有与标准 CMOS 制造环境不相容的杂质。”
该项目不仅得到了 NETL 的支持，还依托伊利诺伊州 Grainger 工程学院的高级半导体芯片与加速性能中心，该中心已与 IBM、英特尔和台积电等半导体行业合作伙伴建立联系。目前，曹青团队正致力于将该制造工艺推向半导体量产环节。
“研究人员早已知晓二维半导体可实现超薄化，但高质量介电层的整合仍是重大挑战。”曹青总结道，“通过使用碳纳米点作为原子尺度的接口，我们展示了一条实用途径，有助于将这些材料带入未来的电子技术领域。”
参考文献：
Sunny, et al., "Integration of high-κ oxides on 2D semiconductors with carbon dot monolayer assembly as a van der Waals interface layer," Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-78053-3
