目前納米材料或者是二維材料的前景如何？

如題所示

---------------------------18年10月18更新--------------------------------------

為什麼把這個更新直接更開頭，因為這是大事兒，真是大事兒，真是大事兒，大事兒，重要事情重複三遍。具體請自行看MIT大佬的paper。

http://dx.doi.org/10.1126/science.aat8126?

dx.doi.org

那些整天「二維不可能」「二維是辣雞」「二維只能做paper」的，這回估計真要被啪啪啪打臉了，真不愧是MIT，不聲不響就搞大事兒。

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難得遇到有人問二維材料，相對國內很多黑國內二維材料騙經費（這是事實），屁用沒有卻因子超高（很多二維的paper確實屁用沒用個，可是說這話的多數是紅眼病），比如有位叫霍華德的，就是國內微電子研究反材料研究的急先鋒，幾乎所有與「微電子」「材料」這兩個關鍵詞相關的問題你都能看到這位勇士懟材料研究的身影，你比如這裡：

為什麼說「學微電子都怕掉進材料的坑」？ - 霍華德的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/274028946/answer/387041500

此乃真猛士也！

斯不敢與猛士比，可作為一個每周例會看著IMEC 2D組各位大神努力的小學生，還是希望站一波二維材料研究，起碼不讓大神們的努力白費和受到誤解。

在上面那個問題中，我曾經嘗試與這位猛士進行和平的討論（當時沒搜這位猛士的歷史回答記錄，不知道猛士之猛衝破天際），然而被先狠懟一下，嘗試呼籲大家冷靜下來認真討論下共識和分歧問題，然後就被刪評論了。。。所以這裡其實基本上是把當初這位猛士刪掉的評論重發一遍。

首先，國內微電子研究材料的一大幫騙經費，而且水論文的真的很多，特別二維材料和納米材料這塊的，這些都是事實，無法否認。然而也不應該以偏概全地就認定所有研究二維材料的研究就都是「騙經費，水論文」的，這對於那些不是沖著「騙經費，水論文」，實打實做研究的人來說非常不公平的。

「真正做器件的關心的是路線圖關注ITRS 是製程進展是器件結構是漏電是閾值電壓是驅動電壓是能耗是缺陷是SPICE 明白自己做的東西要給設計端什麼樣的參數明白工藝兼容與良率」這是那位猛士的原話。

可是當研究二維材料和納米材料的人做出了器件，而且測試顯示具有漏電，能耗等等方面優勢的時候，猛士又說不像III-V材料有剛需，不能商業化，沒產業基礎，嗯，這個嘛。。。難道工業對更高on/off ratio，更快開關速度，更低能耗，更低漏電等等的device沒剛需？這些方面很多2D device尤其是新結構與新材料結合的device可是都顯示出了很大的提升啊。

這位猛士又說「在中國炒作石墨烯的時候，人家比利時歐洲微電子中心IMEC攻克了三五族材料和CMOS工藝異質集成的問題隨後英特爾台積電三星大舉投入」然而事實上IMEC現在也在攻克二維材料的生長，transfer以及各種相關的工藝問題，一旦成功，有之前實驗性二維材料器件展示的優秀performance作為動機，英特爾台積電三星同樣也可能大舉投入。這個跟當初scaling down，鋁開始變得不好使，有人提出用銅唄，銅比鋁好啊，可是銅不能etch啊，於是IBM攻克了這個問題，大家就都跟進了，是一個道理（關鍵詞Copper Damascene Etching，看完你會對微電子「靈光一閃拯救世界」這一神奇現象理解更深）。而在二維材料和納米材料面臨的問題類似，就是，誒喲，這個東西好，device的performance good啊，可是做不出來啊，好吧，我們來研究研究這個工藝問題，看怎麼才能出來好了嘛（我們也需要「靈光一閃拯救世界」，而且估計需要不少，因為我們幾乎所有工藝步驟都還有問題。。）。。。。。

好了，黑狗賣完，正經回答問題。

一個眾所周知的問題，5nm 之後微電子面臨新的革新，要麼想出比Finfet更優的器件結構，要麼更換Si為其他材料，這個問題其實有一個專有名詞，叫做：「beyond CMOS」，而後者要用什麼取代Si？題主問到的納米材料和二維材料就是目前「看起來最美」的option。

OK，美好願景展望完，我們來具體看看現實。首先必須明確一點，「beyond CMOS」應該是必須的，但是到底是新結構，還是新材料，或者兩者結合（你比如很多tunnelling FET其實就是結合兩者），目前沒定論。而現實就是，這麼多年了，2D device幾乎沒有大的進展。。。

為什麼？就是「騙經費」「水論文」的問題，是的，雖然認為那位猛士有點以偏概全，可是不得不承認，他以及很多懟材料研究的人所說很有其道理，我個人也很反感那種水得一塌糊塗的二維材料的論文，比如那種那塊二維材料水煮火燒一下做個TEM甚至就個XPS，RBS，Raman，完全不管工業和device設計要什麼就可以出篇paper的，excuse me？所以你發表的這個paper單純只是為了Show一下這個treatment會導致這樣的結果？可是這個Treatment目的何在？是為了什麼需求的？惡搞的是，很多時候期刊也會認為，誒喲，這樣的treatment以前沒人試過，有獨創性，出！……excuse me，為什麼之前都沒人嘗試這樣的Treatment？就是因為沒用啊！再有獨創性有什麼用！這就是一種「水論文」的套路之一：毫無意義的「獨創性」

所以其實這個問題確實很嚴重，這些年它們也確實一直制約著2D device的研究，因為容易發表高因子的paper，因為容易騙到經費，所以都很多人都做這些沒卵用的所謂「二維研究」，結果真正有剛需的「二維研究」反而沒人做，各種device的paper里這個device多好那個多牛，你倒是做出來工業化啊，結果做這方面工藝研究的少，而做工藝的又有很多混子實際是在拿已經很成熟的工藝炒舊飯，combination一下甚至連combination都沒有，就是做個換個材料做個treatment，然後做個analysis，壓根不是奔著解決工藝問題去的。多數人都去做容易出paper的，打個比方，你google學術搜一下2D materials transfer，看看有多少是真的在develop一個切實可用的transfer process的？所以嘛，就現在這樣了，各種study一大堆，實操都慫了。不怪以開頭那位反微電子新材料急先鋒對我們各種冷嘲熱諷，懟得不亦樂乎，我們自己確實不爭氣，做不出東西來，怪誰？

我的理解是這樣，「beyond CMOS」的研究應該是這麼個流程：

Device設計者根據工業需求進行「beyond CMOS」的器件設計，基於或不基於納米材料或者二維材料。
根據設計者的需求，針對性地研究每一步工藝步驟，比如怎麼能生長出符合設計要求的材料，比如怎麼做到達到設計者要求的transfer，等等。

所以何為「沒卵用的所謂二維研究」，何為「有剛需的二維研究」區別就在於這裡了，如果「水煮火燒」一下某個二維或者納米材料，然後做個什麼analysis，就出個paper，然而連Device設計者都不知道他這個「水煮火燒」到底是為了什麼目的的，那就是「水」。反過來，Device設計者提出具體某個需求，表示要做這麼一個device，需要達到什麼參數，你給我想辦法，然後你來針對性地「水煮火燒」一下，那這就是「剛需」。這個「剛需」關係鏈應該是這樣的：業界早晚必然需要「beyond CMOS」--&> 需求「beyond CMOS」device的設計，這一步可能需要新材料，也可能只是單純的結構革新，或者兩者結合，目前未知--&> 需求工藝研究者「水煮火燒」一下，develop一個滿足需求的process。

從這個需求關係鏈也可以看出，如果設計者不顧工業需求，或者不管這東西工藝上可能不可能，只是為了騷一把他的設計，那這也叫「水」（這種也很多的，你比如有一篇CNT的paper就是用兩種CNT，搭一個與非門，是的，搭出來了，可是簡直毫無意義……），所以我們每周例會才會要求所有部門負責人都出席，這樣負責與工業溝通的Manager會知道工業需要的是什麼，設計人員可以告訴工藝人員，他們需要的到底是什麼，而工藝的研究人員可以告訴設計人員，什麼是有可能是辦到的，什麼是扯淡。

還拿前面提到的transfer來舉一個確切的例子，你別去研究那些transfer會導致什麼什麼，我們現在需要的是到底怎麼transfer，然而實際上現在的paper大部分是這樣：transfer會導致什麼什麼，完了！完了？然後呢？沒然後了！那到底該怎麼transfer？不知道，不管，我只負責提出問題！我#……￥%。。。沒錯，你可以說我指出來現在的transfer有什麼問題有什麼不對，發現問題了才能解決啊。說的沒錯，可您倒是解決啊！誰都知道現在的transfer不行，可都跑去「發現問題」了，本來就一大堆問題沒解決，你發現再多問題也只是讓「不行」變成「更加不行」而已，我們現在連穩定可靠的300mm transfer都做不好，你做一堆二維材料flake在transfer後會如何的研究，到底有何意義？咱先搞定300mm的transfer，起碼能transfer，然後咱再研究有什麼缺陷怎麼改進行不？結果就是你出paper出爽了，大家繼續卡在這兒做不出能商業化的東西來，所以你看，我們IMEC二維組裡那位真正做transfer的大神，反而沒發什麼關於transfer的paper，人家憋著呢，可能一發就是一個能直接工業化的transfer process了（具體細節我不能說，被說泄密我就吃不了兜著走。。。）

概括性地說就是：「科研應該是高於工業但是基於工業」。換言之不該總用工業標準來要求科學研究，可是反過來科研也不應該忽略工業的需求，要基於實際的工業需求訂立科研目標（基礎科研例外，理論物理什麼的，走得太遠了，現代工業已經連邊兒都夠不到了。。。）那位霍華德反微電子新材料急先鋒的問題就出在鑽死在了前者的牛角尖里，而很多大學的問題在於忽視了後者，所以造成「水論文」「騙經費」的現象。

最後來辯證性回答題主問的「前景」，從上面題主應該看到了，我重複了很多次，「beyond CMOS」應該是必須的，但是到底是新結構，還是新材料，或者兩者結合，目前沒定論。所以從這個角度，這個「前景」是美好的，因為總有一天，「beyond CMOS」肯定會實裝，但是這個「前景」也可能是非常「不美好」的，那就是如果你沒有去關注工業的需求做設計，或者你沒有根據設計者的需求去研究各種「水煮火燒」，那麼等有一天「beyond CMOS」實裝了，你發現你做過的都是一坑水，那這個「前景」自然就非常「不美好」了。

所以這個「前景美好不美好」，我覺得取決於個人，如果你是水一波就溜，那前景必然是不美好的，不管你發過多少多高因子的paper。但如果你賭對了，那麼當一天「beyond CMOS」實裝了，你的知識就是不可或缺的。一句話，其實就是，現在水的一時爽，將來喝水喝到飽。用我老闆的話來說，如果有個東西公司里只有你能做，你還害怕沒飯吃么？假如以後某個「beyond CMOS」approach實裝了，而其中一個process是我develop出來的，嘿嘿嘿，YY一下。。。

而且就算「beyond CMOS」沒那麼快實裝，我們總會慢慢一步步接近這個目標，那麼隨著一步步接近這個目標，到底哪些technique是有用的，哪些是扯淡也肯定會慢慢清晰。所以做真正有需要的，發現勢頭不對趕緊撤，「前景美好不美好」就看你追不追得上，抓不抓得住了。

最後我為什麼在最開始舉例那位急先鋒猛士，主要是為了提個醒，由於材料特別二維和納米材料這一塊水確實很多，所以很多做其他研究的人很看不慣（不排除部分人看到搞材料的輕輕鬆鬆水高因子紅眼病）。不要覺得搞研究的人秉承科學思維就一定很理性客觀，只要是人，就永遠會有在過激情緒下被傲慢與偏見支配的，比如類似那位先鋒猛士以及回答最開頭那個鏈接的問題下面各種發了瘋一樣猛懟微電子材料尤其二維和納米材料研究的回答，在這種失去理智的傲慢與偏見下，他們是不會管你是在「水」，還是在「實幹」的，只要你是做納米或二維材料相關研究的，你就肯定是在「水」。所以如果你選擇入坑新材料工藝，要有這個承受這種傲慢與偏見的心理準備，因為在那個問題下各種回答中相信你也能看到，這個傲慢與偏見的群體是很龐大而且強大的，他們將給你帶來的心理壓力將比你想像中的大得多。同時要記住不忘初心，不要覺得別人都在「水」，而我明明沒「水」，卻還是要被連帶一起罵，這麼冤枉，那我乾脆我也一起「水」好了。不要水，而是要真的「beyond CMOS」，未來屬於我們~~~

---------------經過評論區的討論，決定作出以下補充以免誤導人-----------------

評論區的朋友提出二維材料是「good for paper, particularly useless」。首先明確，現階段，這是事實。所以打算入坑的朋友一定要有這個心理準備。而「particularly useless」就是評論區那位朋友提到的uniformity，repeatibility等問題，但是這些問題其實並非二維材料或者納米材料獨有，而是beyond CMOS的共同問題，其實道理很簡單，你可以簡單想像一下，當你有好幾十層原子，然後其中一些出了問題，而當你只有幾層甚至只有一層原子，其中有一兩個出了問題。所以評論區那位朋友提到的uniformity，repeatibility等問題，歸根結底是scaling down遇到的問題，而不是納米材料獨有問題。而這些問題的出現的根本原因其實是當scaling down到極限的時候各工藝步驟在精度純度等等方面沒法達到要求了，從這個角度來說，其實不是納米材料「good for paper, particularly useless」，而是幾乎所有beyond CMOS的design全都是。

我盡量選能拿出來說的例子舉例說明一下（很多很有代表性的例子是confidential不能拿來在這地方說的，所以我只能盡量挑能說的，不過你也可以相信，不是confidential的東西，那肯定不是最新的了。。。）。

先舉一個沒用到新型材料的例子，具體是誰提出的不記得了，好像是三星？這是一個新的用於Flash memory的晶體管（與普通晶體管區別在於多個floating gate，具體機理請自行百度google或者別的什麼）的IDEA，我記得是published了的，所以應該可以拿出來說，但是我一時找不到當初那篇paper，如果有誰看完描述記起是哪來的麻煩ps我一下我把DOI補上。

這個IDEA的大概理念就是改用豎立式晶體管，先一層層鋪D，S，G，然後把這厚厚一層無數的D，S，G，一次性全部Etch穿，形成一個很深很深的「井」，然後往「井」填上形成channel。這個IDEA是很吸引人的，因為不難想像，這要是成了，存儲器容量會以幾何級飆增，但是有個問題，做Etch的童鞋應該都反應過來了，這麼深的「井」，你怎麼Etch？你怎麼控制這個profile？好吧，退一萬步，我們做ETCH真的做出來這麼個「井」，那麼一個超級無敵深的「井」壁幾乎是90°的一個「井」，你怎麼往「井」壁deposit其他材料？這其實就是一個很典型的「good for paper, particularly useless」的例子，但是特別注意，這裡「particularly useless」不是這個design本身，而是因為工藝沒辦法把這麼個東西做出來，所以「useless」，然而不難想像，如果工藝問題能攻克，這個東西就是「more than useful」。

再舉一個二維材料的例子。2D Device基本上都存在uniformity，repeatibility等問題，然而正如我前面說的，這不是二維材料本身的問題，而是隨著scaling down工藝遇到的問題。最直接的證明就是，當我們增大實驗性2D Device的尺寸，我們觀察到非常明顯的repeatibility的改善，當我們從monolayer的二維材料切換到multilayer的二維材料，也能觀察到repeatibility的改善，更具體的實驗以及實驗參數和結果不能在這說，大概就是這麼個意思，領會精神。簡而言之，2D Device的uniformity，repeatibility等問題，並非因為二維材料本人，而是因為，一，生長出來的二維材料質量不如人意，這個道理很簡單，就像隨著scaling down，硅晶純度要求越來越高，如果純度不夠，現在的device的repeatibility也不會達標，是一個道理。二，transfer過程產生的cross contamination，以及transfer本身對材料的破壞，以及大規模高質量transfer的高難度。三，刻蝕的難度，單層原子材料太脆弱，需要很高的selectivity，這其實是所有beyond CMOS的共同問題，因為不管是新型還是傳統材料，厚度已經薄到這個地步了，多刻少刻一層原子帶來的影響就非常大了（所以ALE，selective ALE來了）。四，contact的難度，由於納米材料的特性，其金屬接觸也相應表現出很奇特的特性，而且並不是什麼好消息，感興趣的同學可以自己搜索下paper。

而這些又全部link到deposition和litho去。所以我前面說現在2D Device幾乎所有工藝步驟都有毛病，當然以上四點應該不是全部，我只是把我印象比較深，比較了解的寫出來，歡迎補充。

那麼最後總結一下，新型材料也好，不用新型材料也好，現在beyond CMOS的問題在於工藝，而不在於材料或者設計，因為不考慮工藝的話，他們「很美好」，所以「good for paper」，然而考慮工藝的話，因為做不到，所以「particularly useless」。

所以如果入坑，建議別入具體材料的研究或者設計，去研究工藝。

最後來點現實的，關於畢業工作的問題，畢竟就像評論區的朋友說的「job market很慘烈，這些都不是一句話『東西是需要有人去做的』就可以輕描淡寫的過去的」。其實這個我原本不想說，畢竟我又沒畢業，所以其實覺得我是沒資格說這個的。不過既然問題是「前景如何」我想這個「前景」當然也包括就業，對吧。

那麼就像我前面說的，還有在評論區說的，beyond CMOS這個東西是個「必須，但是完全不急」的東西，常識告訴我們，這種東西的正常狀態應該就是，需要人去研究，但不會需要很多人，所以我說之前業界對二維材料，納米材料的研究屬於「不正常的狂熱」。而作為「不正常的狂熱」的結果，就是遠超正常需求的二維phd、post phd，所以從這角度來說，就業前景並不樂觀。

但這也要看你到底做的是什麼，這也是我前面建議，去研究工藝，別研究具體材料或者設計的原因。因為你研究工藝，比如Etch，雖然你研究的是怎麼在各種其他材料上Etch二維材料，或者在二維材料上Etch各種其他材料，但是你研究的對象本身是Etch，所以你找工作是不怕的，你連那麼難Etch的二維材料都敢懟，而且懟過，你還怕其他Etch課題嗎？我本人雖然沒畢業，但是我上年實習階段的mentor上年11月phd畢業，他工作就一點都不難找，甚至phd答辯前就已經好幾個備選了。

而且就如前面所說的，beyond CMOS現在急需的就是各種工藝的研究，而不是繼續死懟材料本身或者設計，所以個人認為，選擇去研究工藝，無論是對這個領域的貢獻還是從以後就業來說，都是最佳選擇。這就是我原文最後說「不要水，而是要真的『beyond CMOS』」的意思，我現在算是說穿了，就是不要再去湊材料本身和各種設計的熱鬧，來做工藝吧！

看你從什麼角度出發了是要做科研應用呢還是套取國家科技經費了

和你說實話，這個方向基本就是深坑，目前看起來美帝這個領域的經費也在急劇下降。如果你單純想水文章準備混學術界，你也得想清楚了再入坑。

有pHEMT, Switch, DHBT 等外延材料穩定量產經驗的，很難得

謝謝邀請。從做科研和發文章的角度來說，納米和二維材料前景光明，但不是最炙手可熱的領域。

第四主族和第六主族還有很多二維材料沒有合成出來，前景是有的。二維材料在做器件以及半導體行業還是有很大的潛力。