半导体、电介质及电极材料是电子信息产业的关键基础材料。以硅基金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）为核心的现代半导体产业，在功耗-性能-面积-成本（PPAC）体系的推动下，持续朝更小尺寸、更高速度、更低功耗方向演进，同时追求制造工艺的经济性与高效性。这种 “持续微缩” 为主导的发展路径，显著提升了超大规模集成电路的算力、集成密度与能效。然而，要进一步缩减晶体管尺寸，必须相应减薄沟道与栅介质厚度，以维持栅极对沟道的静电控制能力；传统硅基沟道材料（硅、应变硅锗）在纳米尺度下，会因厚度不均匀导致载流子散射加剧、短沟道效应凸显，从而引起器件电学性能下降。这使 PPAC 目标实现面临严峻挑战。

　　为突破硅基技术极限，开发新型半导体材料与器件架构已成为必然趋势。近年来，二维半导体因具备高载流子迁移率、优异静电调控能力和良好的层间堆叠兼容性，备受学界与产业界关注。然而，二维半导体原子级平整且无悬挂键的表面特性，使商用的三维高介电常数（高 κ）材料难以在其表面形成均匀的共形薄膜；更重要的是，二维半导体的表面结构可能在介电层沉积过程中遭到破坏，导致器件表观迁移率下降、稳定性显著降低。

　　在众多候选材料中，北京大学彭海琳教授课题开发的铋基二维材料体系，凭借出色的性能与独特的物理化学性质，有望成为后硅时代高性能新型芯片的关键材料体系之一。二维半导体硒氧化铋（Bi₂O₂Se）具有与硅相近的带隙，电子有效质量仅为 0.14m₀（低于无应变硅的0.19m₀），具备超高的本征电子迁移率；该材料同时具有良好的空气稳定性，可通过化学气相沉积、金属有机化学气相沉积等成熟半导体工艺制备出晶圆级单晶薄膜；此外，它还展示出强自旋轨道耦合、隐藏自旋极化等新颖物理特性。尤为重要的是，类似于硅可自然氧化形成二氧化硅，二维Bi₂O₂Se能在原位氧化条件下生成硒酸铋（α-Bi₂SeO₅与β-Bi₂SeO₅）——这是一类室温介电常数（κ 值）高达21的高 κ 栅介质，并且二者之间能形成原子级平整的界面。

　　围绕新型高迁移率铋基二维材料体系，彭海琳课题组聚焦材料的精准合成、异质集成与关键界面结构调控等核心问题，开展了系统且深入的研究工作，制备了一系列高性能二维晶体管、红外探测器、传感器以及量子霍尔器件（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），并率先开发出首例外延高κ栅介质集成型二维鳍式和二维环栅晶体管（Nature 2023, 616, 66; Nature Mater. 2025, 24, 519）。

　　前期，彭海琳课题组应邀对铋基二维半导体的发展进行了论述和展望，相关成果以题为“2D bismuth oxyselenide semiconductor for future electronics”（面向未来电子技术的二维氧化硒化铋半导体）的封面文章，发表于电子学国际顶级期刊《自然评论·电气工程》（Nature Reviews Electrical Engineering 2025, 2, 494–513）（图1）。该综述文章系统梳理并展望了二维Bi₂O₂Se半导体在后硅时代电子学中的发展路径。从材料特性、可控合成、器件架构与多功能应用等角度，全面剖析了二维Bi₂O₂Se作为一种高迁移率半导体所展现的独特潜力。该综述还指出了面向产业化所面临的关键挑战，描绘出从实验室创新迈向产业应用的发展路线图（图2）。未来，仍需在材料生长、工艺兼容性、器件优化及系统集成等方面持续推进基础研究与技术突破，以充分释放二维Bi₂O₂Se在未来电子与计算领域的广阔前景。

　　此外，该课题组最近还在CCS Chemistry上应邀撰写了题为“Synthesis of High-κ van der Waals Dielectric for Two-Dimensional Electronics”（面向二维电子学的高κ范德华电介质合成，https://doi.org/10.31635/ccschem.025.202506866）的综述文章，重点阐述了二维电子学中高 κ 范德华栅电介质的研究现状与未来合成发展方向。该综述梳理了当前已开发的高 κ 范德华电介质的材料特性，总结了晶圆级超薄高 κ 范德华电介质的生长难点、合成策略和最新进展，并从实验室到工厂的角度阐述了高 κ 范德华电介质与二维半导体集成所面临的挑战，最后，还展望了未来高 κ 范德华电介质合成在下一代二维电子器件中的研究方向（图3）。

　　Nature Reviews Electrical Engineering封面综述文章的通讯作者为北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授，第一作者为北京大学化学与分子工程学院谭聪伟副研究员、博士研究生唐浚川、和博雅博士后高欣。CCS Chemistry封面综述文章的通讯作者为北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授、谭聪伟副研究员，第一作者为博士研究生王梦迪。该系列工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研究计划、新基石科学基金会所设立的新基石研究员项目与科学探索奖等大力支持。

　　图1. Nature Reviews Electrical Engineering封面综述文章。

　　图2. 二维氧化铋硒材料的未来芯片应用路线图（Nature. Rev. Electr. Eng.2025,2, 494–513）

　　图3. 高 κ 范德华型绝缘体与二维半导体在晶圆级集成过程中的挑战与发展路线图 （CCS Chem. 2026）

　　论文链接：

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

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