科学家预计到2032年，计算机将发生翻天覆地的改变。这些变化将彻底颠覆计算机的运行效率、处理速度及尺寸大小。尽管行业变革一向任重道远，但Deep Jariwala 博士仍踌躇满志，信心十足。 

材料怀疑论者的满腔热火 

Deep Jariwala 博士是宾夕法尼亚大学电气装置工程实验室电气与系统工程专业的副教授。他专注于纳米、原子装置，材料以及界面的设计与开发，它们的应用范围涉及到计算机、传感、信息科技和可再生能源等各个方面。而他的角色多年来也变化诸多。他说：“我是材料工程师出身，之后慢慢涉足应用物理，后又转为电器工程及装置研究。我喜欢研究所有尚在研发阶段的材料，尤其是纳米材料。”这些材料大小只有一到几百纳米，但各具特性。对Jariwala 博士来说，研究其原子构造、电子结构、光学特性以及振动结构趣味十足。 

TERS 技术，二维材料研究神器 

在纳米材料研究中，针尖增强拉曼光谱技术 (TERS) 是Jariwala 博士及其团队常用的测量方法。将原子力显微镜与拉曼光谱仪 (AFM-Raman) 结合，研究人员在几分钟内就能得到成像结果，大大提升了纳米材料内部异质结构、缺陷形成及材料制备等方面的研究效率。 

二维材料作为一种新型纳米材料，厚度极薄，内部结构往往存在不均匀性。Jariwala 博士说：“这种不均匀性代表某些区域存在缺陷，这可能是氧化导致的，也可能是其他原因导致的。我们在 TERS系统中，利用光致发光 (PL) 探针实现了分子振动的光谱测量，成功从纳米维度观察到二维材料缺陷的空间分布及密度，进一步了解了材料的内部异质结构。”  

另外，在现代半导体微电子学中，金属及半导体之间界面的性能问题是大多数缺陷形成的原因，同时也是较难优化的部分之一。此前由于技术限制，该界面尚未针对二维半导体进行优化。而现在通过针尖增强拉曼技术 (TERS) ，用探针测量该类型的界面，研究人员可以观测到晶体的情况，从而更好地了解缺陷或形变产生的原因，以研发更优质的界面。 

此外，在半导体二维材料制备过程中，质量与纯度是影响转化效率的重要因素。使用 AFM-Raman/TERS 技术对半导体晶体进行表征，从纳米尺度快速测量出缺陷类型、性质及密度，就能及时掌握材料质量与纯度情况。 

二维半导体材料令人振奋 

通常，二维材料发光有两种方式。一种是用光源照射，它们会吸收光能然后发出荧光或再次发光。还有一种方式是通过电流激发光子发光，这便是LED的发光原理。科学家研究了很多二维材料，发现它们普遍都具有非常高的发光效率，十分适合用来制作显示屏或激光器。另外，由于这些材料非常薄，人们可以通过改变它们的光量，作为施加的电场函数，来调节它们的光学特性，这便是光调制技术。 

光调制技术是光通信的基础，也是互联网及所有通信技术的基础。而在二维半导体材料内运用光调制技术，通过调节电流实现电子控制及电子信号的转化，这将是极具潜力的革命性应用。 Jariwala博士说:“在光电两方面都具有核心特性让二维半导体材料拥有令人振奋的广阔远景。”  

正是由于二维材料独特的光学特性，科学家们推测二维材料半导体器件将不仅冲击半导体工业或主流半导体电子工业，甚至将影响到电子工业，例如，显示器、LED、雷射、光学调节器、通讯等。” 

更小、更快、更节能 

“就在几年前，面对二维材料的大行其道，我并不乐观，甚至不认为这类新兴材料能彻底取代硅。但在过去的两三年里，人们找到了在大面积或高质量晶圆上制备这些材料的方法。与此同时，很多研发人员用这些材料制造出了高质量的器件装置，其性能甚至优于某些硅材料装置。”Deep Jariwala博士说。现在，不少半导体芯片制造商都在考虑将二维材料作为下一代半导体材料，用于计算逻辑编程或数据存储。Jariwala博士预测在8-10年内，人们有望看到高效合成的二维材料被广泛应用于计算机微处理器中，实现多个任务同时处理，大大提升计算机芯片的能效及速度。 

另外一个推动这项研究的因素是设备的尺寸，即制造更小的设备。随着主流计算机设备的尺寸越来越小，稳态能耗变多，处理器的温度变得更高，于是，每焦耳能量或每瓦特功率可以做多少次计算成为芯片行业重要的衡量指标。市场上主流芯片常用的是硅材料，而它的能耗水平已趋于平缓，难有突破。反观二维材料，它可以很好地与静电场协调，其自带的天然属性使得半导体器件能在不增加能耗的情况下不断缩小尺寸。 

二维材料研究占据了Jariwala博士的大量时间。他使用 HORIBA LabRAM HR Evolution 拉曼光谱仪（现已升级为 LabRAM Odyssey 高速高分辨显微共焦拉曼光谱仪）和原子力显微镜 (AFM) 耦合，实现TERS成像技术，并施以各种激发光对样品进行研究。“我们已经有一个633纳米和一个785纳米的激光器，计划再增加一个激光器。我们通过 TERS 系统做了不少科研工作，发表了一些非常好的论文，团队成员都非常满意。” 

二维材料前景广阔，是计算机及其他相关领域发展的驱动力。利用先进的光学光谱技术，结合科研团队强大的研发应用创新能力，二维材料无疑将在未来计算机更小、更快、更节能的革新中发挥关键作用。