在芯片制程持续向亚纳米节点演进的行业背景下，传统硅基材料的物理极限逐步显现，全球科研界都在寻找能够适配下一代微型电子设备的新型低维半导体材料。近日，国际顶级期刊《科学》（Science）杂志发表了一项重量级研究成果——日本东京大学领导的研究团队成功制备出直径仅1纳米的单壁二硫化钼（MoS₂）半导体纳米管，粗细仅约为人类头发丝的十万分之一，成为迄今全球最小的半导体纳米管。这项突破不仅验证了二十五年前的经典理论预测，也为超越硅基与碳基的下一代半导体材料体系开辟了全新路径。

一、突破1纳米极限：从“长不出来”到原子级可控

在纳米材料领域，1纳米及以下尺度的纳米结构极易出现形变、缺陷、结构坍塌等问题，想要稳定合成具备半导体特性的管状结构存在极高技术门槛。传统纳米管制备方法，无论是化学气相沉积还是水热合成路线，常规工艺产出的纳米管管径普遍维持在10纳米以上，且产物大多为多层嵌套的多壁结构，原子排布随机性强，管径、管壁厚度无法统一控制，批量制备的材料性能波动极大，无法满足芯片制造对材料均一性的严苛标准。

东京大学先进材料科学系副教授中西悠介（Yusuke Nakanishi）率领的研究团队跳出传统合成思路，创新性利用氮化硼（BN）纳米管内部狭长密闭空腔作为微型反应容器完成化学反应。狭小的受限空间从物理层面约束了二硫化钼晶体的生长方向与成型尺寸——如果脱离氮化硼管的束缚，1纳米级二硫化钼管状结构无法稳定成型，极易碎裂转化为二维片状粉末；而密闭空间能够引导内部钼、硫元素按照固定原子序列有序堆叠，形成无明显缺陷的规整管壁。

研究团队通过高分辨电子显微镜和光谱学手段确认，最终获得的单壁MoS₂纳米管具有明确的“扶手椅型”（armchair）原子构型偏好，其带隙随管径缩小而系统性降低，这一发现与25年前学术界提出的理论预测完全吻合，填补了超细无机纳米管能带特性的实验数据空白。

二、碳纳米管之后：二硫化钼纳米管凭什么被寄予厚望？

回溯近二十年低维材料发展历程，碳纳米管曾长期占据行业热点，凭借优异的导电、导热特性获得大量科研资源与产业关注，一度被视作替代硅基晶体管的核心候选材料。但随着研究持续深入，碳纳米管自身难以规避的短板逐渐暴露——材料本身极易同时生成金属型与半导体型两种结构，分选成本高、器件性能一致性差等问题长期制约其规模化落地。正如中西悠介在研究中指出的：“碳纳米管在晶体管应用中面临重大挑战，即使极小的结构差异也会改变其行为特性，包括它们更像金属还是更像半导体。”

在此背景下，二硫化钼纳米管作为全新无机一维半导体材料快速进入科研视野。二硫化钼是一种天然半导体材料，在尺寸控制和原子结构一致性方面具有潜在优势，有望为构建超小半导体沟道提供新方案。而本次研究产出的“同轴包覆结构”——内层为具备半导体导电能力的MoS₂纳米管，外层完整包裹绝缘BN纳米管——形成了一种天然绝缘隔离的结构，完美适配环绕栅极（Gate-All-Around, GAA）晶体管，而环绕栅极架构正是当下3nm、2nm及以下先进制程最核心的晶体管设计方案。

三、应用前景：三大赛道浮现，技术产业化仍待破局

现阶段二硫化钼纳米管整体仍停留在实验室研发阶段，尚未实现量产制造，但其应用场景已经覆盖三大核心领域：

• 新一代半导体功率与逻辑器件：适配极小尺寸环绕栅极晶体管，构建超小型半导体导电沟道；

• 超高分辨率微型传感器：依托纳米尺度带来的超高灵敏度，捕捉微弱电、光信号；

• 量子尺度基础物理实验：作为规整可控的一维量子材料，用于观测电子受限运动等前沿物理现象。

不过，这项成果距离实际应用仍有一定距离。目前制备出的纳米管长度仅为数百纳米，远不能满足常规晶体管导电沟道的布线需求。中西悠介团队的下一个核心攻关目标是将纳米管有效长度提升至1微米（即1000纳米），使基础器件制备成为可能。研究团队还计划拓宽这套受限空间合成工艺的材料适配范围，尝试制备磁性、超导等不同功能属性的无机纳米管，丰富低维管状材料的研发体系。长远来看，这套材料体系成熟后，既能支撑量子物理、低维材料基础科学的前沿探索，也能为后摩尔时代芯片材料迭代提供重要参考方向。

四、从实验室到产线：新材料仍需跨越“死亡谷”

面对硅基极限逼近、碳基材料一致性瓶颈的双重挑战，1纳米二硫化钼半导体纳米管的诞生，无疑为后摩尔时代芯片材料迭代注入了一针强心剂。然而，新材料从“实验突破”到“产业落地”绝非一蹴而就。从原子级可控的实验室合成，到可重复、可规模化的晶圆级制造，再到最终集成于商用芯片，这是一条漫长且充满挑战的道路。

值得关注的是，中国科研机构也在同步推进二硫化钼材料体系的多条技术路线，包括将其用作下一代芯片沟道材料，以及探索高纯金属钼在先进制程互连/靶材中的应用。这类“材料+工艺”的协同创新，正是当前全球半导体产业竞争的前沿阵地。每一次原子级精细调控的进步，都在为国产半导体产业链的自主可控增添新的变量。

声明：本文部分内容综合自《科学》杂志（Science, Vol. 394, Issue 6782, 2026）、科技日报及相关学术报道，转载仅供行业分享与讨论，不代表我方立场。