二维材料与未来信息器件
随着智能时代的到来, 部署在边端的设备正呈现出指数式增加趋势, 产生的数据量越来越多,迫切需要对这些数据进行实时、低功耗处理. 但传统硅基技术已逼近物理极限, 无法提供能够满足智能时代信息实时处理所需要的算力, 导致出现巨大算力缺口. 为了解决算力缺口挑战, 迫切需要探索超越硅基的新材料与新原理器件.
二维材料因其独特的原子级结构与可定制化物理性质, 为解决上述挑战提供了革命性机遇. 其核心优势包括: 1)结构与物性精准调控: 通过层数、堆叠序构与异质界面设计, 可编程化调控能带结构、载流子输运及光电响应; 2)多物理场动态操控能力: 支持电场、光场、应变、磁场等多维度调控,赋予器件功能动态重构与自适应能力; 3)异质集成兼容性: 与硅基技术深度融合, 为后摩尔时代器件开发提供可扩展的技术路径.
近年来, 二维材料在信息技术领域已取得系列突破: 晶体管的接触电阻逐渐接近量子极限; 光电探测器实现从紫外至红外的宽谱感知; 可重构类视视觉器件为神经形态计算提供硬件基础; 量子点与拓扑异质结构则为量子信息处理开辟新方向. 这些进展标志着二维材料正从原理概念走向应用的关键阶段.
为反映该领域的前沿成果, 推动材料-器件-芯片-系统的跨尺度创新, 特组织“二维材料与未来信息器件”专题, 内容包括: 材料设计与理论建模; 材料可控制备; 新原理信息器件; 电路与芯片集成;系统与新兴应用等方面. 邀请国内外学者分享原创研究、综述与前瞻观点, 共同探索二维材料驱动信息技术变革的路径, 为下一代高性能、智能化、低功耗信息器件奠定基础.
2026, 75 (1): 010809.
doi: 10.7498/aps.75.20251367
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铁电薄膜及其集成的铁电器件受到了极大的关注. 传统铁电薄膜受限于临界尺寸效应, 难以在厚度逐渐变薄至纳米甚至单原子层时保持铁电性, 这为发展相关纳米电子学器件带来了挑战. 二维范德瓦耳斯材料具有天然稳定的层状结构, 具有表面平整无悬挂键、无层间界面陷阱、甚至在原子尺度极限厚度下仍能保持完整的物理化学特性的优点, 逐渐被人们意识到是实现二维铁电性理想的温床. CuInP2S6, α-In2Se3, WTe2等具有本征铁电极化的二维范德瓦耳斯铁电材料先后被报道, 同时人工堆叠的滑移铁电体如t-BN等也逐渐涌现, 极大扩充了二维范德瓦耳斯铁电材料的体系结构, 为进一步实现铁电的电子元器件微型化和柔韧化提供了新的可能. 本文将对近来报道的二维范德瓦耳斯铁电材料的研究进展进行综述, 探讨它们的组分特征、结构特点及性能调控方法, 并展望此类材料的应用潜力和未来的研究热点.
2026, 75 (1): 010810.
doi: 10.7498/aps.75.20251386
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在后摩尔时代, 随着器件物理尺寸的缩放极限和冯·诺依曼架构的局限性逐渐显现, 传统硅基集成电路领域面临严峻挑战. 然而, 二维层状材料凭借无悬挂键、高载流子迁移率、高光生载流子浓度等独特的物理特性, 有望突破这些瓶颈. 目前, 许多二维材料已经实现了规模化生长与应用, 在高性能单一功能器件、多功能融合器件、逻辑电路和集成芯片制造与应用当中展现出巨大的潜力. 本文综述了二维材料的基本特性、构成的基础功能器件、功能电路模块以及三维集成等方面的研究进展, 重点探讨了二维材料在规模化集成方案方面的挑战和解决路径, 并为未来的发展方向提出了展望.
2025, 74 (22): 226401.
doi: 10.7498/aps.74.20251141
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原子级厚度的二维过渡金属硫化物(2D-TMDs)材料展现出丰富的物理性质, 如量子自旋霍尔效应、超导电性、电荷密度波、铁电性和铁磁性等, 而受到了广泛的关注. 2D-TMDs材料通过不同的层间堆叠方式和元素配位几何, 可以呈现出物理性质迥异的晶相结构. 通过晶相工程改变2D-TMDs材料的晶相结构是实现其电子结构、量子态及功能特性调控的有效策略. 本文聚焦于热力学亚稳相2D-TMDs的制备, 详细总结了利用物理化学手段诱导晶相结构转变的调控机理和直接相选择合成特定晶相结构的技术进展, 及其对材料电子结构、超导电性、磁性、铁电性等物性的影响. 最后, 对利用晶相工程进行2D-TMDs结构和物性调控的研究现状和未来发展进行总结和展望.
2025, 74 (22): 227501.
doi: 10.7498/aps.74.20251177
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二维磁性材料是指厚度极薄且能够维持长程磁有序的纳米材料. 这类材料展现出明显的磁各向异性, 并由于量子限制效应与高比表面积特性, 导致电子能带结构与表面状态发生显著变化, 因此具有丰富而可调控的磁性, 并在自旋电子学领域展现出巨大的应用潜力. 二维磁性材料包含层间通过弱范德瓦耳斯力堆叠而成的层状材料和三维方向均通过化学键结合的非层状材料. 当前大多数研究都集中在二维层状材料, 而这些材料的居里温度普遍远低于室温, 且空气稳定性差. 相比之下, 非层状结构增强了材料的结构稳定性, 同时表面丰富的悬挂键增加了修饰其物理性质的维度. 这类材料正日益受到学术界的广泛关注, 并且它们的合成与应用已取得了重大进展. 本综述首先梳理了各种二维非层状磁性材料的制备方法, 并系统介绍了近5年来在各类材料中获得的二维非层状本征磁性材料以及它们在超薄极限下涌现出的一系列新奇物理现象, 同时也讨论了理论计算在揭示这些新奇现象时的关键作用以及修饰磁性的一些重要手段. 最后展望了二维非层状磁性材料在自旋电子器件中的应用潜力与发展方向.
2025, 74 (22): 228101.
doi: 10.7498/aps.74.20251305
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二维(two-dimensional, 2D)异质结因其能整合不同组分的材料并产生新颖物理现象, 已成为构筑下一代光电子与微电子器件的理想平台. 化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)技术是实现其大面积、高质量、可控制备的关键途径. 本综述系统梳理了CVD法制备2D异质结的最新进展, 重点阐述了通过前驱体设计、温度场调控、气体诱导及衬底工程四大核心策略, 在精准调控异质结结构(垂直/横向)、界面、组分及结晶质量方面的机理与成果. 目前该技术仍面临较大挑战, 未来通过融合原位表征、多尺度模拟与人工智能优化, 有望实现从“经验试错”到“精准设计”的跨越, 推动2D异质结在量子计算、柔性电子等前沿领域的实际应用.
2025, 74 (22): 228501.
doi: 10.7498/aps.74.20251093
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随着大数据和人工智能技术的飞速发展, 图像传感器向着多光学维度高质量成像和智能化信息处理方向发展. 传统的图像传感器架构由于感存算分离在处理指数级增长的视觉信息时面临存储墙和功耗墙瓶颈. 近年来, 基于二维材料的光电探测器在性能提升方面取得了显著的进展, 并与传感器内计算技术相结合, 为图像在传感器内智能处理开辟了新路径. 本文系统地综述了高性能二维材料光电探测器及图像智能处理技术的最新进展. 首先, 介绍了二维材料光电探测器的感知特性及其关键性能指标; 随后, 探讨了探测器内图像预处理方法; 接着, 总结了基于二维材料器件的传感器内计算技术及其在各类神经网络中的创新应用; 最后, 分析了利用二维材料开发新一代图像处理器件所面临的挑战与机遇.
2025, 74 (22): 228502.
doi: 10.7498/aps.74.20251165
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偏振探测是获取光矢量信息的重要手段, 广泛应用于光通信、智能感知与生物传感等领域. 二维范德瓦耳斯材料因其独特的各向异性与可调电学特性, 为实现高性能偏振探测提供了新的材料平台, 但这类材料存在本征吸收弱、响应效率有限等局限性. 等离激元结构可在微纳尺度实现强局域光场调控, 是突破上述局限性、提升探测性能的重要手段. 本文系统梳理了等离激元微纳结构与范德瓦耳斯材料的光学耦合机制, 分析了不同类型等离激元结构在各类偏振光探测中的作用与优势. 最后, 讨论了该方向在偏振敏感光通信、片上光计算与信息处理、仿真视觉与图像识别等前沿领域的应用前景, 展望了未来研究面临的机遇与挑战.
2025, 74 (22): 228503.
doi: 10.7498/aps.74.20251115
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随着高速成像、航空航天及光通信等领域的快速发展, 对覆盖宽光谱范围且具备高性能的光电探测器需求日益迫切. 二维材料因其独特的结构维度、可调的电子结构以及优异的载流子输运特性等, 被视为宽谱光电探测的理想候选材料. 然而, 实现兼具高响应度与高速响应的宽谱探测器仍面临诸多挑战. 本文首先介绍了二维材料的光电特性基础, 包括带隙调控机制与光谱响应范围、载流子输运及复合过程、光吸收特性等, 为理解其宽谱探测能力奠定理论基础. 随后, 系统地梳理了窄带隙二维材料、二维拓扑材料以及二维钙钛矿材料体系在宽谱探测中的研究进展. 接下来重点探讨了异质集成、缺陷调控、光场增强以及应变调控等四类提升二维材料光电探测性能的有效途径. 最后, 对二维材料宽谱光电探测器在高性能、低功耗、多功能化及规模化应用方面的挑战与发展前景进行了展望, 指出多种策略的协同集成有望推动新一代宽谱光电探测器的实用化进程.
2025, 74 (22): 226301.
doi: 10.7498/aps.74.20251222
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本文系统研究了过渡金属二硫化物3R相MoS2的声子性质, 并与常见的2H相进行了对比. 研究通过拉曼光谱实验结合线性链模型、力常数模型和键极化模型, 对不同堆垛结构的振动模式、峰位及强度演化规律进行了深入分析. 结果表明, 高频拉曼光谱难以有效区分两种相, 但二次谐波对晶体对称性极为敏感, 可清晰实现堆垛相的鉴别; 在低频区域, 线性链模型能够刻画剪切模与呼吸模的层数依赖性, 而力常数模型因引入层内和层间的力常数后能更准确地拟合实验趋势; 键极化模型进一步解释了不同堆垛结构下拉曼散射强度的差异; 在高频区域, 3R相的峰位差对层数变化更加敏感, 因而在层数判定中具有更高的可靠性, 同时表面效应在其高频声子行为中起着更为关键的作用. 综上所述, 本文全面揭示了3R相MoS2的独特声子特征及层数依赖性, 为低维材料的堆垛结构识别和物性调控提供了重要依据, 并为其在光电器件、量子器件中的应用奠定了基础.
2025, 74 (22): 227502.
doi: 10.7498/aps.74.20251066
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稳定且显著的谷极化效应是谷自由度在谷电子器件中应用的关键. 基于第一性原理计算, 本文发现单层交错磁体V2Se2O在单轴应变下的谷极化效应关联磁性原子V之间的净磁矩, 提出了实现巨大谷极化效应的两种策略. 其一, 利用Cr原子替换V2Se2O单层中的一个V原子形成亚铁磁单层VCrSe2O, 使磁性原子之间的净磁矩足够大, 实现巨大的谷极化效应. 通过在a轴或b轴方向施加单轴应变能显著地提升谷极化值, 且谷极化值与磁性原子之间的净磁矩呈近线性关系. 其二, 构建V2Se2O单层和α-SnO单层的范德瓦耳斯异质结, 镜面对称破缺的堆垛方式使V原子之间出现净磁矩, 从而实现显著的谷极化效应. 通过压缩异质结的层间距离可以引起V原子之间净磁矩的增加, 能将谷极化值提升至近400 meV. 本工作在单层交错磁体的基础上提出了实现巨大谷极化的两种策略, 为基于交错磁体构筑的亚铁磁单层和异质结材料在谷电子学领域的应用提供理论指导.
2025, 74 (22): 228102.
doi: 10.7498/aps.74.20251070
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二维铁电半导体α-In2Se3在新型电子器件中具有重要应用前景. 然而采用化学气相沉积法(CVD), 该材料通常需要高于650 ℃的高温. 本研究提出一种低温合成策略, 通过引入KCl/LiCl/NH4Cl三元催化剂体系, 在400—460 ℃ (优化条件440 ℃)制备α-In2Se3薄膜, 该工艺较传统方法降低温度200 ℃以上. 扫描电子显微镜(SEM)表征显示材料形貌可通过温度与气体流速协同调控, 从六边形薄片转变为连续均匀薄膜; 能量色散谱仪(EDS)分析表明元素比例接近理想化学计量比(In∶Se = 36.38∶63.62); 拉曼光谱(特征峰103/180/195 cm–1) 与X射线光电子能谱(XPS) (In∶Se = 1.92∶3.00) 共同证实材料为纯α相、化学计量比接近理想值. 基于此材料构建的阻变器件表现出模拟阻变的特性, 模拟了生物突触的长时程增强/抑制行为. 在人工神经网络仿真中, 对MNIST数据集的图像识别准确率均在90%以上. 该低温合成工艺突破高温限制, 为α-In2Se3在硅基神经形态计算芯片中的规模化集成提供可行路径.
2025, 74 (20): 207102.
doi: 10.7498/aps.74.20250890
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层间激子是由范德瓦耳斯异质结构中相邻材料层内的电子与空穴通过库仑作用束缚形成的激子, 通常表现出空间间接性, 因而具有较大结合能、长寿命及主要沿垂直方向分布的电偶极矩, 在低维激子物理与新型光电器件研究中具有重要意义. 过渡金属二硫族化合物异质结构因其天然的能带对齐特性成为理想研究平台. 本文综述了层间激子的形成机制与判定方法, 总结了在典型能带结构下激子的能量分布、空间归属与态属性, 并归纳了光致发光光谱分析、瞬态吸收和电调制吸收等表征手段的识别特征. 在此基础上, 系统梳理了电场、磁场、光场、应力、扭转角等外部条件对激子能级、复合行为与光谱特征的调控规律, 并介绍了温度变化、多激子作用和多层堆叠结构等辅助策略, 揭示了层间激子的行为受能带结构、界面耦合影响及局域势场共同作用的复杂性, 对构建可控激子态与激子功能器件具有重要意义, 有望推动其在低功耗逻辑、量子光源与集成光电子芯片等领域的实际应用.
2025, 74 (17): 178502.
doi: 10.7498/aps.74.20250703
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人工视觉系统因在医疗诊断、机器视觉等领域具备广泛应用前景而备受关注, 但其发展长期受限于传统材料的物理瓶颈. 近年来, 二维半导体材料由于其出色的光电性能和原子级厚度, 被认为是构建人工视觉系统的革命性平台. 最新研究表明二维材料的可调谐带隙与高效光电转换特性已被成功应用于单目三维视差重建, 其动态成像速率可达传统器件的3倍以上. 尽管如此, 该领域仍面临显著挑战, 如二维材料大面积制备工艺复杂性, 宽光谱响应, 高帧率感知与低功耗平衡难题等问题. 这些问题的解决将推动人工传感系统向更智能、更精密的方向突破, 实现从仿生视网膜到类脑智能体的跃迁.
2025, 74 (17): 178501.
doi: 10.7498/aps.74.20250648
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二维半导体材料凭借其独特的物理特性与优异的电学性能, 在后摩尔时代集成电路发展中展现出巨大潜力. 开发与二维材料兼容的极性调控方法, 已成为基于二维半导体构建互补逻辑电路、实现低功耗且高稳定性信息处理功能的关键, 有望为持续提升集成电路性能提供新路径. 本研究报道了一种基于一步退火工艺的二维半导体极性调控策略, Pd电极接触的WSe2晶体管的导电特性经退火由n型主导转变为p型主导; 而Cr电极接触的器件则始终保持n型主导的导电特性. 在此基础上, 通过在同一WSe2上选择性制备不同金属材料的源漏电极并结合一步退火工艺, 实现了互补晶体管的单片集成, 进而通过器件互联实现了反相器功能. 在2.5 V的电源电压(Vdd)下, 反相器增益达23, 总噪声容限达2.3 V(0.92 Vdd). 该研究为二维半导体的极性调控提供了全新的技术路径.
