在今天的知乎上，石墨烯作為環材化生灌水研究的代表已經淪落到瞭人人喊打的程度。但回到十年前，石墨烯剛剛拿下諾貝爾物理學獎，一時風光無二。穩定的六角蜂窩狀結構使得這種材料超乎想象的強韌，號稱一頭大象的重量在筆尖大小的面積制造的壓強也不足以刺破保鮮膜厚度的石墨烯。電子在其中幾乎不受阻礙地高速運動，室溫下遠遠超過矽的十倍。這帶給人們無盡的遐想，假如能夠利用這種材料制造芯片，那麼芯片的運行速度將得到成倍的提升，半導體巨頭們耗費數十年和數千億美元嘗試解決的問題將不再是問題。
然而以石墨烯為代表的二維材料在十年後陷入瞭沉寂。盡管材料學傢們還在努力為石墨烯尋找出路，盡管凝聚態物理學傢們借助石墨烯這個平臺發現瞭許多漂亮的新物理，但是這些更像是日落前的餘暉。二維材料這個領域如今一派暮氣沉沉的景象，辛酸中透著不甘。曾經高高在上要去爭奪制造業皇冠的石墨烯，卻向不得不向現實低頭，成為瞭散熱膜、導電漿料、抗腐蝕塗層，與各路老前輩在小數點後一位激烈廝殺。
從更長的時間尺度來說，石墨烯不是第一個被認為會取代矽的明星材料。在過去的30年間，每當制程工藝看起來將陷入瓶頸，總會有一種觀點認為半導體矽已經不堪使用，必須尋找替代的材料。比如前代的明星材料 —— 納米線。
自從Robert Noyce大神制造瞭第一塊基於半導體矽的集成電路(IC)以來，全世界的微電子學傢都在絞盡腦汁思考如何盡可能減小單個晶體管的尺寸。這樣做的好處是顯而易見的：有限的面積內能排列更多的晶體管，單個晶體管的成本和功耗下降，以及工作頻率的上升。以最常用的金氧半導體場效應晶體管（MOSFET）為例，它的本質就是一個電壓控制的開關，電流在源（source）漏(drain)之間的流動受到柵（gate）的控制。gate如同自來水的閥門，當閥門打開(高電壓)時，水流(電流)可以輕易流過，而當閥門關閉(低電壓)時，水流(電流)的流動就會受到很大的阻礙。
MOSFET的基本結構
在90年代以前，MOSFET的縮小很簡單——隻需要把版圖畫小一些即可。受到商業競爭的驅動，大約每18個月MOSFET的大小就會縮減一半，這就是著名的摩爾定律。然而進入90年代後，延續摩爾定律遇到一些困難(順便說一句：從那時起，每隔幾年就會有一波摩爾定律藥丸的預測，然而直到現在摩爾定律也活得好好的……233333)，其中有許多原因，比如說用於制造光刻技術即將達到衍射決定的分辨率極限，又比方說單位面積的功耗太大散熱有問題等等。但最為核心問題在於，再繼續微縮下去，柵極(閥門)將失去截斷電流(水流)的作用。形象的說，這根水管變得又粗又短，以至於沒有位置擺放一個足夠大的閥門瞭。這樣一來即便工藝上可行，做出來的晶體管也全是漏電的廢品。
微縮晶體管導致無法有效關斷電流（顏色偏紅的地方表示導電性更好）
就在微電子學傢們對著這一堆問題瘋狂撓頭的時候，某位材料學傢眼前一亮，提出瞭一個看起來很完美的解決方案。既然在整塊單晶矽上刻出納米級的晶體管不容易，為什麼不直接從頭開始就用納米級的矽線來做呢？當時半導體制程工藝剛剛達到亞微米的水平，但用化學方法卻可以輕而易舉地合成一根幾十納米粗的矽納米線。這樣的水管非常細，即使很短的柵也能有效截斷電流。這些納米線天然就是互相絕緣的，省卻瞭不少加工步驟。
更美妙的是，由於納米線的表面是一個曲面，柵可以從三面包繞納米線，這樣就比平面工藝下隻能從一面調控導電通道的柵不知高到哪裡去瞭。這個理念即便放到今天也絲毫不落後，與三星計劃在3nm節點使用的全環繞柵(GAA)異曲同工。
Ge/Si復合納米線MOSFET，可以看到gate是三面包繞的
2000年前後，有無數的材料學傢湧入瞭納米線領域。其中最著名的人物是哈弗大學的Charles. M. Lieber教授，他將納米線的合成推到瞭登峰造極的地步：金屬、半導體、絕緣體、絕緣體包半導體、半導體包半導體、金屬包半導體、納米線邏輯電路、納米線存儲器、納米線太陽能電池……那段時間Lieber教授如同長篇連載一般在nature/science發表瞭無數工作。同時也培養瞭一群和他同樣聲名顯赫的中國學生——斯坦福大學的崔毅教授，UCLA的段鑲風教授，UCB的楊培東教授…
是不是覺得這張照片經歷瞭一些風雨的洗禮？其實圖裡長長短短的像指甲劃痕的東西就是納米線……
風光一時的背後隱藏著危機。盡管優秀的學者如同Lieber教授在納米線領域做出瞭許多開創性的工作，但學術界卻始終無法解決合成本身的問題，業界也不認同納米線的前景。正如某位大佬強力吐槽的那樣：世界上找不到兩根完全相同的納米線。如果這都做不到，那麼談何大規模應用呢？於是乎，看不到目標的後生學者們逐漸把納米線做成瞭炒菜：加點原料，爐子裡燒一燒，再表征一下物相就是一篇文章，完全背離瞭合成納米線的初衷。幾年之內，納米線以肉眼可見的速度從巔峰跌倒谷底。
與此同時，微電子學傢們也在積極探索延續摩爾定律的方案。前臺積電CTO，微電子學界的泰山北鬥胡正明教授在90年代後期創造性地提出瞭兩種解決方案，後來發展出FDSOI和FinFET兩種業界的主流技術路線。這兩個方案沒有拋棄傳統的矽晶圓，而是利用極高精度的加工手段將單晶矽加工成各種復雜的結構以規避平面工藝的種種問題。於此同時，光刻技術也有瞭非常大的發展，新一代的沉浸式曝光技術結合相差掩模版，突破瞭衍射極限的限制。更不用說應變矽、HKMG等等黑科技瞭。這其中的故事，我在後面的文章中再慢慢細說。這裡貼一個視頻，看看胡正明教授是如何講述當年的挑戰吧。
總的來說，2000年前後微電子技術的發展就像是在山裡鋪路。修路的人遠遠望見前面有一座高不可攀的山，材料學傢想修一條小路從旁邊繞過去，卻在山腳下的密林裡迷失瞭方向。微電子學傢掏出瞭炸藥，在山體裡炸出瞭一條隧道，進入瞭開闊的大平原。當然，迷失瞭方向的人也在努力探索，隻是最終的出路可能已經遠遠不是當初設想的樣子瞭。