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首先需要明確的是，摩爾定律其實(shí)不算嚴(yán)格的定律，而是經(jīng)驗(yàn)觀察。1975年，Intel 共同創(chuàng)辦人 Gordon Moore 提出對(duì)晶體管數(shù)量成長(zhǎng)速度的觀察，預(yù)測(cè)每?jī)赡昃w管數(shù)量會(huì)變成兩倍，也就是說(shuō)每隔兩年電腦的運(yùn)算速度會(huì)提高兩倍，或是說(shuō)，同樣運(yùn)算速度的芯片價(jià)格會(huì)減少二分之一。其次，摩爾定律的討論為什么如此重要？其實(shí)重要的并不是這個(gè)定律是否能夠延續(xù)，對(duì)業(yè)界來(lái)說(shuō)，更重要的是藉由這個(gè)討論，了解整個(gè)業(yè)界發(fā)展趨勢(shì)是否得以延續(xù)以及這背后產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化、經(jīng)濟(jì)意涵等信息。換句話(huà)說(shuō)，摩爾定律代表的是芯片成本下降的趨勢(shì)，也代表不同終端產(chǎn)品的應(yīng)用能力的提升。回顧半導(dǎo)體技術(shù)的核心挑戰(zhàn)，可以發(fā)現(xiàn)既有工藝瓶頸（量子隧穿效應(yīng)、原子摻雜漲落、功耗墻等現(xiàn)象），也有架構(gòu)上的瓶頸（馮諾依曼架構(gòu)的內(nèi)存墻現(xiàn)象），更有晶體管原理上的瓶頸（亞閾值擺幅的玻爾茲曼極限與工作電壓的縮減極限）。傳統(tǒng)器件工藝和系統(tǒng)架構(gòu)越來(lái)越難以滿(mǎn)足人類(lèi)社會(huì)進(jìn)一步信 息化對(duì)算力的需求，半導(dǎo)體技術(shù)正式進(jìn)入后摩爾時(shí)代。

“超越摩爾定律這個(gè)問(wèn)題比較大”，劉建影院士說(shuō)道，“大家都知道，因?yàn)槟柖勺矇?，所以我們要研究新技術(shù)，探討新方法，例如磁電子，量子器件與技術(shù)等嘗試。目前集成電路領(lǐng)域，'超越摩爾定律’的有效手段，主要從碳基電子——其中包括碳納米管電子系統(tǒng)、石墨烯電子器件系統(tǒng)、 spinelectronics 自旋電子、量子器件與技術(shù)等角度展開(kāi)。但現(xiàn)在并不明確哪個(gè)方向是主線(xiàn)?！?/strong>

（一）后摩爾時(shí)代重要的基礎(chǔ)電子材料

21世紀(jì)是碳時(shí)代，碳基電子的潛力無(wú)限，不管在量子器件還是其他前沿科技領(lǐng)域都有非常強(qiáng)勁的應(yīng)用前景。碳基半導(dǎo)體或?qū)⒊蔀闃O重要和可行的突破方向。劉建影院士說(shuō)道，“后摩爾時(shí)代重要的基礎(chǔ)電子材料主要有碳納米管，石墨烯，黑磷等?！?/p>

碳納米管憑借超高的電子和空穴遷移率、原子尺度的厚度和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，以及成本更低、功耗更小、效率更高的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是構(gòu)建高性能 CMOS 器件的理想溝道材料。IBM 研究表明，10nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)后碳納米管芯片，相比于硅基芯片，其性能和功耗方面都將顯著改善。例如，硅基節(jié)點(diǎn)從 7nm 到5 nm，芯片速度大約提升20%，而同樣條件下，碳納米管基 7nm 技術(shù)的芯片速度比7nm 硅基芯片提升 300%。此外，半導(dǎo)體型碳納米管材料屬于直接帶隙半導(dǎo)體，所有能帶間躍遷不需聲子輔助，是很好的紅外發(fā)光材料。理論分析表明，基于碳納米結(jié)構(gòu)的電子器件可以有非常好的高頻響應(yīng)，對(duì)于彈道輸運(yùn)的晶體管其工作頻率有望超過(guò)太赫茲，性能優(yōu)于所有已知的半導(dǎo)體材料。石墨烯材料，電子遷移率高、導(dǎo)熱性好，同時(shí)薄且十分穩(wěn)定的石墨烯晶體管不僅有助于電子元件向小型化發(fā)展，也使其獲得很高的信號(hào)傳輸速度以及可在極端溫度和高頻下進(jìn)行工作。當(dāng)前研究成果表明，石墨烯晶體管的頻率性能已超過(guò)相同柵極長(zhǎng)度的最先進(jìn)硅晶體管的截止頻率（40 GHz），但在晶體管制備上，石墨烯晶體管性能仍遜于碳納米管晶體管。未來(lái)，石墨烯有望在三維集成電路、優(yōu)化散熱和更小尺寸芯片等方向發(fā)揮重要作用。另外，石墨烯納米帶的二維晶格結(jié)構(gòu)具有高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率和低噪聲，這些性能可使其取代銅等金屬線(xiàn)連接成為連接材料。

（二）后摩爾時(shí)代，碳基材料有哪些機(jī)會(huì)？

后摩爾時(shí)代，碳基半導(dǎo)體的應(yīng)用場(chǎng)景將日益多元化，除了應(yīng)用于芯片外，在其他電子設(shè)備制造中也有望施展拳腳。其超高載流子遷移率，可應(yīng)用于射頻器件的制造，提高射頻器件的截止頻率和最大振蕩頻率性能；碳基納米材料的超高柔性也推動(dòng)顯示、柔性可穿戴等設(shè)備性能顯著提升；另外，隨著石墨烯和相關(guān)二維材料中的自旋電子學(xué)不斷發(fā)展，石墨烯自旋電子器件實(shí)用化，有望用于空間通信、高速無(wú)線(xiàn)電路、車(chē)輛雷達(dá)和芯片間通信應(yīng)用領(lǐng)域的耦合納米振蕩器……。

那么，在后摩爾時(shí)代的基礎(chǔ)電子材料中，究競(jìng)誰(shuí)將脫穎而出，堪當(dāng)大任？劉建影院士認(rèn)為，“目前看來(lái)，在眾多新型半導(dǎo)體材料中，碳納米管電子系統(tǒng)材料看起來(lái)最有前景！因?yàn)樘技{米管系統(tǒng)可以做成小于1個(gè)納米的晶體管。雖然碳納米管技術(shù)，目前只是做成了64K計(jì)算功能，但其在量子計(jì)算，密鑰分拆，藥物設(shè)計(jì)，通訊技術(shù)皆有潛力。當(dāng)然，目前這些技術(shù)還處于研發(fā)和樣機(jī)展示階段，不能夠取代原有的電子器件，而且沒(méi)有步入商業(yè)應(yīng)用的道路。而石墨烯電子器件由于本身材料無(wú)帶寬，在基底上電子遷移率降低等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的路還很長(zhǎng)?！?/strong>

（三）石墨烯納米帶和碳納米管相比，具有哪些技術(shù)優(yōu)勢(shì)？

通常，為了賦予單層石墨烯某種特性，會(huì)按照特定樣式切割，形成寬度小于 50nm 的石墨烯條帶，即為石墨烯納米帶。石墨烯納米帶的準(zhǔn)一維特征及可以調(diào)節(jié)帶隙的性質(zhì)，有望成為未來(lái)量子信息科學(xué)中非常有前景的候選材料。過(guò)去5年中，原子精度自底向上合成石墨烯納米帶和異質(zhì)結(jié)方面已取得的突破性進(jìn)展，為功能性分子器件提供了理想的技術(shù)支撐，同時(shí)也成功地在絕緣襯底上生產(chǎn)出了可能用于大規(guī)模數(shù)字電路的半導(dǎo)體石墨烯納米帶陣列。

“和碳納米管相比，石墨烯納米帶看起來(lái)似乎更有優(yōu)勢(shì)，但它根本的問(wèn)題還是在于石墨烯在大尺寸下電子遷移率會(huì)大幅度降低，這完全限制了新應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，很難做出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品或者器件，這種情況需要從工程上優(yōu)化改進(jìn)。另外，石墨烯的進(jìn)展并沒(méi)有碳納米管這么迅速。碳納米管是在1991年被發(fā)現(xiàn)的，石墨烯在2004年才被曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家們分離出 來(lái)。但是這么多年來(lái)，碳納米管其實(shí)一直沒(méi)有從業(yè)界消失，美國(guó)很多團(tuán)隊(duì)仍在研究并做得非常好，我國(guó)也是，例如北大彭練矛院士團(tuán)隊(duì)就在做這樣的工作?！眲⒔ㄓ霸菏拷忉尩馈?/p>

（四）碳基半導(dǎo)體如何走出實(shí)驗(yàn)室的“玻璃房”，將自身的潛力真正發(fā)揮出來(lái)？

高性能材料的獲取是全球碳基半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展面臨的第一大障礙。石墨烯作為晶體管的前提是帶隙必須足夠大，才能使開(kāi)和關(guān)之間的狀態(tài)對(duì)比明顯，從而準(zhǔn)確無(wú)誤地處理信息。然而，常規(guī)的大片石墨烯是一種零帶隙材料，在費(fèi)米能級(jí)處其電導(dǎo)率不會(huì)像一般半導(dǎo)體一樣降為零，而是達(dá)到一個(gè)最小值，以此作為溝道的晶體管很難被關(guān)斷，進(jìn)而限制石墨烯應(yīng)用于晶體管。如何產(chǎn)生禁帶寬度以實(shí)現(xiàn)高的開(kāi)關(guān)比是石墨烯材料的一大難題。另外，制備出高質(zhì)量石墨烯薄膜是石墨烯成功應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵。目前，應(yīng)用較為廣泛的石墨烯制備方法主要有：微機(jī)械剝離法、化學(xué)氧化—還原法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）和外延生長(zhǎng)法等。

碳納米管集成電路批量化制備的前提就是超高半導(dǎo)體純度、順排、高密度、大面積均勻的碳納米管陣列薄膜。碳納米管分為半導(dǎo)體型和金屬型。對(duì)于晶體管來(lái)說(shuō)，金屬型碳納米管相當(dāng)于雜質(zhì)，會(huì)造成短路干擾電路運(yùn)行，但在制備過(guò)程中金屬型與半導(dǎo)體型共生，分離提純半導(dǎo)體型碳納米管是一大技術(shù)難題。目前，碳納米管材料制備取得了突破，但距離 其大規(guī)模應(yīng)用還存在諸多挑戰(zhàn)，例如材料缺陷、可靠性較差、性能不足等。

“碳基材料走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際進(jìn)入市場(chǎng)應(yīng)用，這不光是硬件技術(shù)開(kāi)發(fā)的問(wèn)題，同時(shí)也需要軟裝設(shè)計(jì)，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)突破，這需要系統(tǒng)工程。比如說(shuō)，碳納米管陣列排序問(wèn)題、量產(chǎn)問(wèn)題、大規(guī)模做成晶體管以及效率問(wèn)題……，這些問(wèn)題都是需要考慮的事。另外，材料互聯(lián)、封裝技術(shù)和系統(tǒng)集成等問(wèn)題也需要意識(shí)到，接觸面之間一旦碳和其他金屬或者材料接觸，它的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度等就會(huì)大幅度變化……，這些都是工藝上可能出現(xiàn)的問(wèn)題。”劉建影院士補(bǔ)充說(shuō)道，“目前石墨烯還沒(méi)到這一步，還處在探討潛力的過(guò)程。目前，在美國(guó)、歐洲有大量團(tuán)隊(duì)在持續(xù)研究碳基電子的基礎(chǔ)性研究，做我們所說(shuō)的“超越摩爾”的探索，同時(shí)，這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展深受歐洲政府的重視，包括瑞典等國(guó)家，有專(zhuān)項(xiàng)基金資助等。但未來(lái)“超越摩爾”的有效路徑究竟是哪一條，往哪里走，到底是量子技術(shù)、自旋電子還是碳基電子，都是一種新技術(shù)的可能性的預(yù)測(cè)，誰(shuí)都不能確保。我認(rèn)為碳基電子更容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，取代或者部分取代目前已有的體系，甚至在超越摩爾這個(gè)上面有可能做出突破?！?/strong>

熱管理，顧名思義，對(duì)“熱“進(jìn)行管理。熱管理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域，控制著系統(tǒng)中熱的分散、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換。先進(jìn)的熱管理材料構(gòu)成了熱管理系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而熱傳導(dǎo)率則是所有熱管理材料的核心技術(shù)指標(biāo)。

熱界面材料，廣泛應(yīng)用于電子元件散熱領(lǐng)域，主要用于填補(bǔ)兩種材料接合或接觸時(shí)產(chǎn)生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，在電子元件和散熱器間建立有效的熱傳導(dǎo)通道，減少熱傳遞的的阻抗，使散熱器的作用得到充分發(fā)揮。

5G時(shí)代巨大數(shù)據(jù)流量對(duì)于通訊終端的芯片、天線(xiàn)等部件都提出了更高的要求。另外，隨著集成度不斷提高，芯片上器件單元數(shù)量急劇增加，連線(xiàn)的增長(zhǎng)既影響電路工作速度又占用較多面積，嚴(yán)重影響集成電路性能進(jìn)一步優(yōu)化，且單純的二維縮小集成電路面積已經(jīng)達(dá)到摩爾極限，目前，集成電路縱向三維發(fā)展逐步得到重視與研究。但是，三維集成電路 存在的散熱、電路串?dāng)_及制造工藝等問(wèn)題仍需解決。因此，有效的熱管理材料與設(shè)計(jì)成為日益重要的課題，其中，新材料的研發(fā)十分關(guān)鍵。

劉建影院士認(rèn)為，“目前看來(lái)，在熱管理應(yīng)用領(lǐng)域比較有前景的下一代新材料主要是石墨烯，六方氮化硼，碳納米管等?！?/strong>

石墨烯，是我們目前發(fā)現(xiàn)的最高的熱管理新材料。完整的單層石墨烯的導(dǎo)熱率為 5300 W/m·K。劉建影院士認(rèn)為，“如果把這個(gè)材料用好，那它在熱管理領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用前景非常廣泛的。目前，它已率先在手機(jī)散熱領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。另外，除石墨烯散熱膜之外，石墨烯強(qiáng)化界面散熱材料，石墨烯熱沉，石墨烯熱管，石墨烯均熱板等散熱產(chǎn)品也將逐步走向市場(chǎng)?！?/p>

六方氮化硼（h-BN）的導(dǎo)熱性能很好，在 500-800 W/m·K 左右。另外 h-BN 可以量化為聲子形式，從技術(shù)層面上講，一個(gè)聲子即是一組原子中的一個(gè)準(zhǔn)粒子。目前，氮化硼散熱膜應(yīng)用于5G射頻芯片、毫米波天線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)充電、無(wú)線(xiàn)傳輸、IGBT、印刷線(xiàn)路板、AI、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

碳納米管的一維結(jié)構(gòu)特性使其具有極高的軸向熱導(dǎo)率，理論熱導(dǎo)率比銅好10倍，電流密度容差高達(dá) 5000倍。作為電子器件熱管理用的碳納米管陣列以及熱界面材料，受到廣泛關(guān)注。而目前碳納米管大多是采用CVD法制備，工藝本身會(huì)造成材料含有大量缺陷，從而造成其熱導(dǎo)率并不高，尤其量產(chǎn)過(guò)程。如果能夠解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，碳納米管在熱管理領(lǐng)域?qū)⒁?guī)?；瘧?yīng)用，走得更快。

如何精準(zhǔn)測(cè)量薄膜的熱性能？

“這是個(gè)難題，測(cè)試方法很多，但使用不同技術(shù)測(cè)的結(jié)果也不同，非常不準(zhǔn)確。我們?cè)鲞^(guò)實(shí)驗(yàn)，不同人用同樣方法測(cè)試，誤差高達(dá)到50%；另外，如果設(shè)備和技術(shù)與材料測(cè)試不匹配，也不能準(zhǔn)確抓取測(cè)試中的物理量。對(duì)于厚膜來(lái)說(shuō)，通常采用激光法，ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，Hotdisk 法等標(biāo)定測(cè)試，對(duì)于石墨烯等薄膜卻很難準(zhǔn)確測(cè)量。因?yàn)樵诓蹲轿锢砹繒r(shí)，需 要考慮誤差，包括空氣對(duì)流以及其他環(huán)境影響，這就比較復(fù)雜。所以膜很薄時(shí)，建議采用焦耳自加熱，熱橋法等技術(shù)，特別是在真空條件下可以避免對(duì)流的影響。相對(duì)來(lái)說(shuō)，薄膜的熱性能測(cè)試是比較難的。”劉院士解釋道。

（一）團(tuán)隊(duì)目前的工作

劉建影院士說(shuō)：“我們團(tuán)隊(duì)主要從碳基電子系統(tǒng)方面做一些開(kāi)發(fā)工作：圍繞縱向通孔結(jié)構(gòu)、三維集成技術(shù)以及散熱技術(shù)開(kāi)發(fā)了一系列石墨烯器件和碳基材料。其中材料互聯(lián)的關(guān)鍵在于工藝的解決，包括高導(dǎo)熱高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)。全碳基電子系統(tǒng)是我們團(tuán)隊(duì)目前在做的一項(xiàng)工作，包括碳納米管的制備，石墨烯的制備，熱導(dǎo)率檢測(cè)方法與研發(fā)以及基礎(chǔ)模擬來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。另外，目前團(tuán)隊(duì)在探索石墨烯的應(yīng)用時(shí)，除了研發(fā)散熱，也在做石墨烯強(qiáng)化材料。這項(xiàng)工作需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是：使用石墨烯時(shí)會(huì)掉渣，以及保持石墨烯高導(dǎo)熱性能的同時(shí)，也需要滿(mǎn)足高機(jī)械強(qiáng)度和彈性等要求。這個(gè)需求不僅是簡(jiǎn)單的導(dǎo)熱問(wèn)題，而是一個(gè)非常復(fù)雜的材料綜合性評(píng)估問(wèn)題。”

（二）科研成果轉(zhuǎn)化過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)

“有些科研成果是不成熟的，必須開(kāi)放心態(tài)。在實(shí)驗(yàn)室成果對(duì)接放大到企業(yè)或市場(chǎng)的過(guò)程，可能市場(chǎng)上找不到成熟工藝、設(shè)備與其相匹配。沒(méi)有近路可走，這是產(chǎn)業(yè)化路上必須要解決的問(wèn)題，需要和設(shè)備供應(yīng)團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)新設(shè)備。其實(shí)很多科研團(tuán)隊(duì) 都經(jīng)歷過(guò)漫長(zhǎng)痛苦的探索，甚至投入大量時(shí)間精力與經(jīng)費(fèi)投入設(shè)備研發(fā)，但并沒(méi)有成功。這就需要研究人員持之以恒，堅(jiān)持不懈，廣泛和用戶(hù)合作，要有10年以上苦干的打算和心態(tài)。另外，需要國(guó)家政府的政策和資金支持。”

（三）做好創(chuàng)新工作，做好“有用”的科學(xué)研究