半導體、電介質及電極材料是電子信息産業的關鍵基礎材料。以矽基金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）為核心的現代半導體産業，在功耗-性能-面積-成本（PPAC）體系的推動下，持續朝更小尺寸、更高速度、更低功耗方向演進，同時追求制造工藝的經濟性與高效性。這種 “持續微縮” 為主導的發展路徑，顯著提升了超大規模集成電路的算力、集成密度與能效。然而，要進一步縮減晶體管尺寸，必須相應減薄溝道與栅介質厚度，以維持栅極對溝道的靜電控制能力；傳統矽基溝道材料（矽、應變矽鍺）在納米尺度下，會因厚度不均勻導緻載流子散射加劇、短溝道效應凸顯，從而引起器件電學性能下降。這使 PPAC 目标實現面臨嚴峻挑戰。

　　為突破矽基技術極限，開發新型半導體材料與器件架構已成為必然趨勢。近年來，二維半導體因具備高載流子遷移率、優異靜電調控能力和良好的層間堆疊兼容性，備受學界與産業界關注。然而，二維半導體原子級平整且無懸挂鍵的表面特性，使商用的三維高介電常數（高 κ）材料難以在其表面形成均勻的共形薄膜；更重要的是，二維半導體的表面結構可能在介電層沉積過程中遭到破壞，導緻器件表觀遷移率下降、穩定性顯著降低。

　　在衆多候選材料中，beat365彭海琳教授課題開發的铋基二維材料體系，憑借出色的性能與獨特的物理化學性質，有望成為後矽時代高性能新型芯片的關鍵材料體系之一。二維半導體硒氧化铋（Bi₂O₂Se）具有與矽相近的帶隙，電子有效質量僅為 0.14m₀（低于無應變矽的0.19m₀），具備超高的本征電子遷移率；該材料同時具有良好的空氣穩定性，可通過化學氣相沉積、金屬有機化學氣相沉積等成熟半導體工藝制備出晶圓級單晶薄膜；此外，它還展示出強自旋軌道耦合、隐藏自旋極化等新穎物理特性。尤為重要的是，類似于矽可自然氧化形成二氧化矽，二維Bi₂O₂Se能在原位氧化條件下生成硒酸铋（α-Bi₂SeO₅與β-Bi₂SeO₅）——這是一類室溫介電常數（κ 值）高達21的高 κ 栅介質，并且二者之間能形成原子級平整的界面。

　　圍繞新型高遷移率铋基二維材料體系，彭海琳課題組聚焦材料的精準合成、異質集成與關鍵界面結構調控等核心問題，開展了系統且深入的研究工作，制備了一系列高性能二維晶體管、紅外探測器、傳感器以及量子霍爾器件（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nature Commun. 2018, 9, 3311; Nature Electron. 2020, 3, 473; Nature Electron. 2022, 5, 643; Nature Mater. 2023, 22, 832; Nature Nanotech. 2024, 19, 1452; Phy. Rev. Lett. 2025, 135, 246302），并率先開發出首例外延高κ栅介質集成型二維鳍式和二維環栅晶體管（Nature 2023, 616, 66; Nature Mater. 2025, 24, 519）。

　　前期，彭海琳課題組應邀對铋基二維半導體的發展進行了論述和展望，相關成果以題為“2D bismuth oxyselenide semiconductor for future electronics”（面向未來電子技術的二維氧化硒化铋半導體）的封面文章，發表于電子學國際頂級期刊《自然評論·電氣工程》（Nature Reviews Electrical Engineering 2025, 2, 494–513）（圖1）。該綜述文章系統梳理并展望了二維Bi₂O₂Se半導體在後矽時代電子學中的發展路徑。從材料特性、可控合成、器件架構與多功能應用等角度，全面剖析了二維Bi₂O₂Se作為一種高遷移率半導體所展現的獨特潛力。該綜述還指出了面向産業化所面臨的關鍵挑戰，描繪出從實驗室創新邁向産業應用的發展路線圖（圖2）。未來，仍需在材料生長、工藝兼容性、器件優化及系統集成等方面持續推進基礎研究與技術突破，以充分釋放二維Bi₂O₂Se在未來電子與計算領域的廣闊前景。

　　此外，該課題組最近還在CCS Chemistry上應邀撰寫了題為“Synthesis of High-κ van der Waals Dielectric for Two-Dimensional Electronics”（面向二維電子學的高κ範德華電介質合成，https://doi.org/10.31635/ccschem.025.202506866）的綜述文章，重點闡述了二維電子學中高 κ 範德華栅電介質的研究現狀與未來合成發展方向。該綜述梳理了當前已開發的高 κ 範德華電介質的材料特性，總結了晶圓級超薄高 κ 範德華電介質的生長難點、合成策略和最新進展，并從實驗室到工廠的角度闡述了高 κ 範德華電介質與二維半導體集成所面臨的挑戰，最後，還展望了未來高 κ 範德華電介質合成在下一代二維電子器件中的研究方向（圖3）。

　　Nature Reviews Electrical Engineering封面綜述文章的通訊作者為beat365官方网站彭海琳教授，第一作者為beat365官方网站譚聰偉副研究員、博士研究生唐浚川、和博雅博士後高欣。CCS Chemistry封面綜述文章的通訊作者為beat365官方网站彭海琳教授、譚聰偉副研究員，第一作者為博士研究生王夢迪。該系列工作得到了國家自然科學基金委、科技部國家重點研究計劃、新基石科學基金會所設立的新基石研究員項目與科學探索獎等大力支持。

　　圖1. Nature Reviews Electrical Engineering封面綜述文章。

　　圖2. 二維氧化铋硒材料的未來芯片應用路線圖（Nature. Rev. Electr. Eng.2025,2, 494–513）

　　圖3. 高 κ 範德華型絕緣體與二維半導體在晶圓級集成過程中的挑戰與發展路線圖 （CCS Chem. 2026）

　　論文鍊接：

　　https://doi.org/10.1038/s44287-025-00179-1

　　https://doi.org/10.31635/ccschem.025.202506866