据报道，清华大学研究团队在一项突破性实验中证实，二维半导体材料能够耐受太空极端环境。该团队由材料科学与工程学院吕瑞涛教授领导，利用中国可重复使用的可返回式卫星——实践十九号，将二维材料和场效应晶体管（FET）送入预定轨道。在太空中停留14天后，这些材料返回地球，尽管暴露于辐射、微重力和高低温环境下，仍表现出卓越的稳定性。该研究结果发表在《国家科学评论》上，强调了 2D TMDC 在极端环境下的适应性，并为未来的空间电子研究奠定了坚实的基础。
什么是二维半导体材料？
二维半导体材料，从维度特性来看，是在长、宽、高三个维度中，至少有一个维度处于原子级尺度（通常为几个纳米甚至小于 1 纳米）的材料。与传统三维材料相比，它的独特之处在于表面具有饱和键，呈现出近乎完美的 “原子级抛光” 界面。以硅为代表的三维材料，当被制成单层或极薄层时，表面的硅原子会与其他原子成键，比如与氧原子结合形成氧化硅，进而丧失硅原本的半导体特性。而二维半导体材料在原子级厚度下，依然能保持半导体特性。像石墨烯，作为最早被发现的二维材料，厚度仅 0.335 纳米，虽然它起初因无带隙难以直接应用于半导体领域，但却开启了二维材料研究的大门。众多二维半导体材料如二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂）等，具有独特的能带结构和电学性质，拥有合适的带隙，能够满足电晶体有效开关电流的需求。
发展现状：科研突破与产业化探索并行
科研进展
在学术研究层面，二维半导体材料领域已取得诸多关键突破。例如，复旦大学、绍芯实验室的周鹏、包文中团队成功研制出全球首款基于二维半导体材料（单层二硫化钼）的 32 位 RISC - V 架构微处理器 “无极”，实现了从材料、架构到流片的全链条自主研发，且集成工艺优化程度和规模化电路验证结果达到国际同期最优水平 。此外，在晶圆级二维材料生长研究方面，南京大学、中国科学院物理研究所、北京大学和复旦大学的团队均有积极成果产出。同时，中国天津大学和美国佐治亚理工学院科研人员组成的研究团队，通过特殊熔炉在碳化硅晶圆上的生长方法，成功生产出外延半导体石墨烯单层，攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的带隙打开难题 。欧洲微电子中心（IMEC）已明确将二维半导体视为 1 纳米及以下节点的重要材料体系，国际集成电路峰会也在 2022 年 6 月提出，二维半导体是目前业界唯一公认能够延续摩尔定律的材料。这一系列科研成果，为二维半导体材料的实际应用奠定了坚实基础。
图：二维半导体材料进军太空
产业化进程
产业化之路虽充满挑战，但也在稳步推进。目前，台积电、三星、阿斯麦（ASML）等行业巨头已开始着力研发二维半导体，将其作为 3 - 5 纳米节点以后硅的替代方案 。不过，从实验室走向大规模商业化生产仍面临诸多障碍。以 “无极” 微处理器为例，团队强调其只是概念验证原型，整体性能与目前商用芯片存在差距，尚不具备市场优势 。在生产工艺方面，虽然二维半导体理论上具有降低功耗、精简工艺步骤和降低制造成本的优势，但实际大规模生产过程中的工艺稳定性、良品率提升等问题仍有待解决 。
市场分析：潜力巨大，前景光明但道路曲折
市场规模与增长预期
随着对高性能、低功耗半导体需求的持续攀升，尤其是在 5G 通信、人工智能、物联网等新兴领域的推动下，二维半导体材料市场具有极大的增长潜力。虽然当前二维半导体材料市场规模相对较小，处于发展初期阶段，但从长远来看，其有望在未来几年迎来显著增长。一些市场研究机构预测，随着技术的成熟和产业化的推进，二维半导体材料市场规模将在未来数年内实现快速扩张。
应用市场
二维半导体材料的应用前景极为广阔。在航天领域，其低功耗、高性能的特性使其成为制造航天器电子设备的理想选择，有助于提升航天器的运行效率和降低能耗。在 5G 通信基站中，二维半导体器件能够提高信号处理速度和降低功耗，增强通信网络的性能。在物联网设备中，二维半导体材料可以使设备更加小型化、低功耗，满足海量设备连接的需求。在可穿戴设备领域，其轻薄、高性能的特点也能为产品设计带来更多创新空间。然而，要实现这些广泛应用，还需克服技术瓶颈和降低成本，以提高产品的市场竞争力。
