自然界中有 10 萬種材料，其中約 5000 種是層狀材料。如果將它兩兩組合或者三三組合，那麼可能性遠遠大於 100 萬種，其物理性質也大有不同。

“奈米積木”（原子層範德華奈米材料及其異質結構），就是把不同的層狀材料的單層或少層分離出來，像搭積木一樣，透過堆疊、旋轉等方式，設計特定的形狀或結構，形成一個自然界中不存在的 “人造晶體”。

山西大學光電研究所韓拯就是玩轉 “奈米積木” 的一位年輕教授，他透過設計特殊的結構，借用傳統半導體器件的範例，在微奈米尺度新型半導體結構，展示了二維層狀材料垂直組裝電子器件的諸多新奇物理現象。

韓拯和合作者首次利用二維原子晶體替代矽基場效應鰭式電晶體的道溝材料，在實驗室規模演示了目前世界上溝道寬度最小的鰭式場效應電晶體，將溝道材料寬度減小至 0.6 奈米。同時，獲得了最小間距為 50 奈米的單原子層溝道鰭片陣列。

憑藉上述研究成果，韓拯成功入選 “35 歲以下科技創新 35 人”（Innovators Under 35）2020 年中國區榜單，獲獎理由為用二維功能材料製造新型的奈米電子器件，以新型的原子層次製造路線突破半導體工藝，為後摩爾時代電晶體工藝尋找新方案。

以“奈米積木”為研究物件

鉛筆芯的主要成分是石墨，是典型的範德華材料。由於石墨中碳原子層與層之間的範德華結合力較弱，在紙上寫字過程當中筆尖上“蹭”下來的二維碳奈米片，就成為了宏觀下人們看到的字跡。直到 2000 年左右，英國曼徹斯特科學家安德烈・海姆（Andre Geim，AG）和康斯坦丁・諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）首次把石墨的單原子層（約 0.3nm 厚）分離了出來，並因此獲得了 2010 年諾貝爾物理學獎。

圖 | 堆疊的奈米積木

韓拯以此為靈感，對物理、材料工程、微觀世界等科學領域愈發好奇，這也跟他的成長經歷息息相關。

韓拯是江蘇人，本科考入吉林大學物理學院，開始核物理專業學習。之後考入中國科學院金屬研究所材料學碩士專業。2010 年，他在法國國家科學中心 CNRS 下屬的 NEEL 研究所攻讀奈米電子學與奈米科技博士學位。其導師對於他的評價是：“年輕躁動、充滿創新活力。”

之後他作為博士後，在美國哥倫比亞大學物理系，從事範德華人工異質結構的維納器件量子霍爾效應和電子光學等物理效能研究。

“隨著對自身行業的不斷深入瞭解和研究，漸漸地進入了角色，也愛上了科研。” 韓拯告訴 DeepTech。

期間，他作為共同第一作者，完成了二維彈道輸運電子在 pn 結介面的負折射工作，為實現新的電子開關創造了基礎，被 Physics World 雜誌評為 2016 年度十大物理學突破之一。

在 2015 年 9 月，而立之年的韓拯決定回國，之後一直在中國科學院金屬研究所開展新型人工奈米器件的量子輸運調控研究。

之後，韓拯團隊以少數層二硫化鉬為研究體系，利用超薄（少數原子層）的六方氮化硼（h-BN）作為範德華異質結的隧穿層，系統開展了隧穿電晶體器件研究。

圖 | 硫化鉬隧穿電晶體光學照片（比例尺 5 微米）、多工作組態整流效應、以及垂直方面切面圖

透過在金屬和半導體 MoS2 介面之間引入隧穿層 h-BN，可有效降低介面處的肖特基勢壘，從而實現透過局域柵電極對通道 MoS2 費米能級的精確靜電調控。所獲得的 MoS2 隧穿電晶體僅透過門電壓調控，即可實現具有不同功能的整流器件，包括 pn 二極體、全關、np 二極體、全開器件。

這項工作首次將雙向可調的二極體和場效電晶體整合到單個奈米器件中，為未來超薄輕量化、柔性多工作組態的奈米器件提供了研究思路。

為尋找室溫本徵二維鐵磁半導體提供指導意義

之所以選擇奈米新材料這個方向，除了自身專業背景之外，更重要的是韓拯對科學一直抱有好奇心。

磁性半導體器件有望將資訊儲存和邏輯運算機整合為一個單元，實現存算一體以提高計算機的效能。該研究領域也一直被高度關注，《科學》雜誌也曾將室溫磁性半導體列為 125 項重大科學問題之一。

對此，韓拯表示：“硬碟的讀寫速率速度越來越跟不上 CPU 的執行速度，如果能把它倆合到一起去做存算一體，可以提高計算機的效能。最直接的方法就是把矽半導體與磁複合到一起，變成一個磁性半導體。”

韓拯團隊採用惰性氣氛下原子層厚度的垂直組裝，發現 3.5nm 厚的 Cr2Ge2Te6 材料在鐵磁居里溫度以下能夠保持優秀的載流子導通性，並且能夠實現電子與空穴的雙極場效應。該型奈米器件在門電壓調控下，磁性亦能得到有效調控，並且與電輸運相仿，存在雙極門電壓可調特性。

圖 | 二維鐵磁半導體中自旋與電荷的雙極可調特性

少數層 Cr2Ge2Te6 是目前已知的首個擁有內稟自旋和電荷態密度雙重雙極可調特性的二維奈米電子材料，這為繼續尋找室溫本徵二維鐵磁半導體提供了一定的指導意義。

例如，來自新加坡國立大學的研究團隊在該研究基礎上，進一步加強了離子摻雜膠的載流子濃度，將少數層 Cr2Ge2Te6 的鐵磁居里溫度增強了 4 倍，達到 250K（零下 25 攝氏度）溫度。

這意味著發現了電子世界的 “交通新規”：在晶格傳輸過程中，受外電場的影響，電子的導電特性沿著不同方向表現出了一定的差異。

也就是說，如果將電子傳輸通道比喻成兩條垂直的繁華街道。當沒有電場時，一條是另一條透過率的 10 倍左右。一旦施加一定強度的外電場，這兩條 “車道” 上的電子透過率差別可高達 5000 倍。

站在科幻角度來描述，這種材料可以製作成為一種新型各向異性儲存器，當該儲存器中一次性寫入的資料，沿其中一個方向讀取出來的是一本小說，而沿另一個方向讀取出來的，則是一部電影。

圖 | 電場可調的二維碲化鎵中電子輸運的“新交規”假想圖

發現的二維極限 GaTe 奈米電子器件展示出了門電壓可調的、面內巨各向異性電阻效應（Giant Anisotropic Resistance），為實現新型各向異性邏輯運算、儲存單元、以及神經元模擬器件等提供了可能。

製備出世界上最薄的鰭式晶體

之後，韓拯與合作者湖南大學劉松教授、金屬研究所孫東明教授等人，首次提出了利用二維原子晶體替代矽基場效應電晶體 FinFET 的 fin 的溝道材料，透過模板生長結合多步刻蝕的方法，製備出了目前世界上溝道寬度最小的（0.6nm）鰭式場效應電晶體（FinFET），也是目前世界上最薄的鰭式電晶體。

圖 | 單原子層溝道的鰭式場效應電晶體與傳統結構對比示意圖

該團隊採用自下而上 Bottom-up 的溼法化學沉積，在高度數百奈米臺階狀的模板犧牲層上連續保形生長單層二維原子晶體半導體，最終將 FinFET 的溝道材料寬度縮小至單原子層極限的亞奈米尺度（0.6 nm），幾乎達到物理極限。

同時，採用多重刻蝕等微納加工工藝，基於此製備演示了最小間距為 50 nm 的單原子層溝道鰭片陣列，為後摩爾時代的場效應電晶體器件的發展提供了新方案。

在工業界，尤其在半導體工業，大家都希望晶片的尺度越來越小，效能越來越高。FinFET可以把平面通道變成站立通道，這樣就節約了大量的空間，如此一次就能在更小的面積裡，儲存更多的晶片或運算單元。

做“孤獨”的研究者

簡單來講，韓拯其主要研究的是功能材料在尺寸非常非常小的時候，有哪些有趣的物理性質和新奇的物理行為，並進一步利用這些有趣的物理現象，來組裝製造成奈米尺度下的低功耗、多功能、智慧化的小型電子器件。

事實上，一些範德華材料已經在例如透明柔性電子、能源催化等諸多效能方面超越了傳統材料，具有誘人的發展前景。

“團隊目前雖然以基礎研究為主，但也正在逐漸努力從實驗室走向應用，我們需要進一步在原始創新以及與應用研究交叉結合等方面多下功夫”。如何實現從零到一的創造發明，並不斷加強研究的深度，將是韓拯團隊後續工作中的首要目標。

“我們知道這很難，但是仍然要努力學習做一名孤獨的研究者，一方面，是靜下心來鑽研的孤獨，另一方面，則是在創新創造上獨樹一幟。” 韓拯告訴 DeepTech。

在下一階段，韓拯表示將繼續深耕奈米積木領域，專注在新原理、新結構、新制造方式等科學目標。用自下而上、原子層次製造的路線，與目前主流的自上而下半導體工藝相結合，從而展現更多的可能性。

相信在摩爾定律行將失效不久的將來，小尺寸的突破口，一定出現在納米制造領域，例如自組裝、生物模版、原子層次 3D 列印等等。