2010 年诺贝尔物理奖颁给了石墨烯的发现者──英国曼彻斯特大学的 Andre Geim 及 Konstantin Novoselov。他们在 2004 年使用 3M 胶带成功由石墨块剥离出石墨烯，开启二维材料领域研究热潮。应用二维材料系统中各种有趣的特性，石墨烯已为我们的生活带来颠覆性的产品，从海水淡化、电动车超级电池、纺织品都有其发挥空间。
石墨烯特性应用
石墨烯表面排斥水，使用此特性可使水快速渗透毛细通道，再进一步以环氧树脂 （Epoxy encapsulant） 限制石墨烯毛细通道 （GO） 泡水后的膨胀，就能够达到筛网的效果，阻止盐分通过，滤除高达 97% 的水中盐分。（图一）
当应用于电池电极，石墨烯可有效提升电池充放电的效能和能量密度。传统电极材料固定所需的胶水等添加剂会降低导电度，使得充放电的速率不佳，并且电极材料上的官能基与电解液在较高电压下会发生反应，限制了可以输入的能量密度。而石墨烯的表面没有官能基可直接生长于基板，不需黏着剂，弥补了超级电容器的两大致命伤，为电动车电池大幅缩短充电时间。（图二）
活性碳广为应用于纺织品中的抗菌除臭，在二维尺度下的碳──石墨烯，以其强韧、延展性和高速导电导热特性为纺织品增添新花样，可以混入布料纤维内以高导热特性将吸收到的热扩散至整件衣服达到均温，也可以涂层的方式建立微小的放热电路来驱寒。（图三）
二维材料系统中除了碳元素组成的石墨烯之外，还有大量由其它元素组成的材料待探索，将为生活用品增添各种如魔法般的功能。
图一至三.二维材料当前应用方式
二维材料特性
材料的晶格排列方式按照点、线、面、体分成零到三维材料，生活中处处可见的三维块材由长宽高三个维度组成，二维材料即平面层状材料，由长宽两个维度组成。（图四）当我们以制程技术将一材料控制在这样的二维薄片尺寸下，与常见的三维堆叠方式相比，材料的特性表现明显
图四. 材料晶格维度
不同。首先是材料中大部分的原子将裸露于外界，使其具有大的化学反应有效面积，在催化领域具有优势。第二是键结位置，二维层状材料没有垂直方向的悬浮键，与其他材料接触的介面少了一项干扰，比较不需要进行钝化制程处理。再来是厚度带来的影响，材料在垂直方向只有一层分子，少掉了三维堆叠时大量分子原子的相互作用力及键结，使微弱的汎德瓦力在二维材料中占主导位置。将相异二维材料互相堆叠时，层与层之间也透过此力连结，称做汎德瓦异质结构 （Van Der Waals heterostructures） 。（图五）低的层数厚度带来的第二项影响是能隙 （band gap） 的变化，例如二硫化钼，在多层时是 1.2eV 的间接能隙，而单层时转变为 1.8eV 的直接能隙，从而显现不同的光、电、半导体特性。
二维材料家族表现出广泛的特性，包括金属、半金属 （semi-metal） 、具有各种能隙的半导体以及绝缘体。如同三维材料，各种特性的二维材料可搭配组合出各式各样的元件。（图五）
图五. （a）汎德瓦异质层堆叠（b）常见的二维材料
二维材料应用于电子元件电晶体
现今科技发展需求以大量数据高速运算为趋势，在过去四十年间透过微影技术持续定义更小图案，以更小的电晶体尺寸达到操作速度的提高以及功耗降低。当通道长度缩减至十纳米以下，衍生问题出现并导致电晶体效能骤降，漏电流严重、临界电压下降、次临界摆幅上升、载子表面散射、速度饱和、热载子效应，统称短通道效应 （short channel effect） 。
半导体发展蓝图 IRDS 规划运算元件尺寸将持续缩小，鳍式电晶体以及环绕式闸极结构陆续被提出以提升闸极控制力、限制漏电流，如今硅基块状材料已缩小至物理极限，载子迁移率大幅降低，漏电流依然相当高，源汲极欧姆接触也因复杂制程使接触电阻不甚理想，亟需探寻新的系统和材料。
新兴二维材料半导体中最受到广泛研究的是过渡金属硫族化合物 （transition metal dichalcogenides, TMDs） ，以钼和钨两大元素为主，搭配硫族的硫、硒与碲元素组合而成。在二纳米以下先进制程尺度，TMDs 可提供比硅基三维块状材料更高的载子迁移率以及极低的漏电流，对于低功耗的设计目标是适合的。
图六. 二维材料于电子元件应用潜力
二维半导体结构电晶体已被大量应用研发 （图六、七），无论结构如何变化调整，基本的结构都不变，电流流经通道、电流由通道流进源汲极金属导线、闸极控制电流的通过与否，依序讨论以下题目：（1） 通道调制 （2） 欧姆接触 （3） 介电材料集成。
（1） 通道调制
电晶体通道的核心指标为电流性能，取决于通道材料有适合的有效质量（effective mass）和能隙。在选定通道材料之后进行调制，通过掺杂工程实现对其电学、光学和磁学性能的精确控制，制程手法将于材料后处理段落进行讨论。
材料的有效质量与可以通过的最大电流成反比，具有较低有效质量的材料可以提供较高的电流限制。然而有效质量也不能太低，在源极和汲极之间将容易产生感应隧道电流，没有电流讯号的关态出现电流，即会造成运算元件算出错误的结果。二维材料半导体 TMDs 家族中的 MoS2 具有约为 0.5 m0 的较大有效电子质量，可以有效抑制超短通道元件中源极和汲极之间的电流直接隧穿，有效抑制漏电流问题。
能隙直接影响开态电流与关态漏电流之间的比例，TMDs 在单层是直接能隙，随着层数的增加，TMDs 的能隙逐渐减小并从直接能隙变为间接能隙，从 1.1 到 2.1 eV 不等。除了 TMDs 之外，黑磷 （black phosphorene，BP） 也是受到关注的潜力通道材料，从 0.3eV 到 2.0eV 的调控且皆为直接能隙。另一项与传统硅半导体不同之处，二维材料在未进行掺杂情况下自然具有 n 型、p 型或是双极性的表现，例如最受到广泛研究的 MoS2 是 n 型、黑磷和 MoTe2 是 p 型、WSe2 可双极性操作。
图七. 二维材料元件潜力结构，左图为互补式电晶体 （Complementary FET，CFET），右图为穿隧型场效电晶体 （Tunnel Field Effect Transistor, TFET）
图八. 二维材料欧姆接触工程，左图使用半金属作为接触点，中图和右图说明费米能阶钉扎情况
（2）欧姆接触
半导体欧姆接触工程 （ohmic contact） 主要解决相邻的相异材料介面上的电子传输。当电子穿越金属和半导体交界面时，巨大的阻抗会出现使得电流难以通过，这样的材料接触面称为萧基接触 （Schottky contact）。现象的发生来自金属和半导体材料的功函数和费米能级不匹配，自由电子和空穴将在此局部持续转移直到费米能级达到平衡，这个过程对外部输入的电流造成阻挡，称作费米能阶钉扎 （fermi level pinning） 现象。
有两种策略用来解决这个问题，对半导体进行重掺杂;在界面处引入薄介电层来解耦金属半导体相互作用。第一种策略对于二维材料在制程技术上相当具有挑战性，第二种的架构以较低阻抗的隧道势垒主导，仍未达小线宽元件的需求。而最近被提出的第三种策略是使用半金属──半导体接触抑制金属诱导间隙态 （ metal-induced gap state, MIGS） 以避免间隙状态钉扎。（图八左）以半金属的费米能级对齐半导体的导带最小值，则导带贡献的 MIGS 会大大降低。使得 MIGS 完全由价带贡献，因此可以被填充和饱和，达到间隙态饱和 （gap-state saturation），实现欧姆接触。MoS2 元件搭配相衬的半金属 Bi 后达到极优异的性能表现，123 欧姆微米的接触电阻和1,135 微安/微米的开态电流密度。
（3）介电材料集成
放置于闸极和通道之间的介电材料对于电晶体电性能也有关键的影响，介电层的品质提升可以降低临界电压 （threshold voltage，Vth） ，有利于降低元件功耗;降低迟滞，有利于元件的稳定性。在硅制程中，高k介电材料氧化铪的制程技术已成熟。当应用于二维材料电晶体，有新的制程挑战出现。二维材料表面干净无悬浮键，少去了钝化悬浮键的议题，新的议题在于介电材料沉积时没有成核点可附着，形成的膜层不均匀。流过通道的电荷被介电层的缺陷捕捉会导致元件迟滞和漏电问题。
要附着于光滑的惰性表面，选择同样具有汎德瓦表面的二维材料绝缘层是一个可能的方案，六方氮化硼 h-BN 的使用除了作为闸极介电层还可以作为封装材料，将二维半导体与外界环境隔离，大大提高迁移率和稳定性等内在特性。目前 h-BN 的生长仍是一个挑战，研究上使用转印法制造单一元件验证原理，尚无法大规模制造。此外，h-BN 的介电常数约为5，与二氧化硅相似，非高 k 电介质。当需要较小有效氧化层 （effective oxide thickness，EOT） 的栅极控制能力时会有漏电流。另一个提出的方案是透过在通道上沉积种子层以衔接介电层，Y2O3还有有机PTCDA的效果已被讨论。
二维材料的材料性能可以适应现有架构也满足未来需求，要达到大规模集成应用，需要更多制程工艺的研究以提升大面积性能均匀性。
