范德瓦尔斯异质结构器件工程在2025年的发展：开创下一代电子和量子技术。探索分层创新如何塑造纳米电子学的未来。
- 执行摘要：2025年市场格局和关键驱动因素
- 技术概述：范德瓦尔斯异质结构的基本原理
- 近期突破和专利活动（2023-2025）
- 关键参与者与行业合作（如ibm.com、samsung.com、ieee.org）
- 市场规模、细分及2025-2030年复合年增长率预测（预计增长18-22%）
- 新兴应用：量子计算、光电子和柔性器件
- 制造挑战与可扩展性解决方案
- 法规、标准化及可持续性举措（如ieee.org）
- 投资趋势、融资与并购活动
- 未来展望：颠覆潜力和战略建议
- 来源与参考文献
执行摘要：2025年市场格局和关键驱动因素
到2025年，范德瓦尔斯（vdW）异质结构器件工程的市场格局特征是材料合成、器件集成和早期商业化的迅速推进。范德瓦尔斯异质结构——由石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）和六方氮化硼等二维（2D）材料构成的工程堆叠——正在促进新一类电子和光电子器件的诞生，具备前所未有的性能和可调性。推动这一领域的关键因素包括对下一代晶体管、光电探测器、柔性电子设备和量子设备的需求，以及半导体组件不断进行的小型化。
在2025年，领先的半导体制造商和材料供应商正在加大对高质量2D材料可扩展生产方法的投资。像三星电子和台积电（TSMC）这样的公司正在积极探索用vdW异质结构进行先进的逻辑和存储应用，利用他们在晶圆级集成和工艺创新方面的专长。同时，专用材料供应商如2D Semiconductors和Graphenea正在扩展他们的产品组合，以包括更广泛的2D晶体和异质结构组装，支持研发和试点器件制造。
该领域还见证了产业界与学术界之间的合作加深，各个联盟和研究联盟专注于克服与界面工程、缺陷控制和大面积均匀性相关的挑战。例如，国际微电子中心（imec）正在领导将2D材料集成到CMOS兼容工艺中的倡议，旨在搭建实验室规模演示与工业应用之间的桥梁。
到2025年，该市场的关键驱动因素包括对节能高效、快速电子产品的激增需求、物联网（IoT）设备的普及，以及对柔性和可穿戴技术的推动。vdW异质结构的独特特性——如原子级锐利的界面、可调的带隙和强的光–物质相互作用——使其成为这些应用的关键推动因素。此外，量子信息技术的兴起也刺激了对基于vdW的量子设备的兴趣，像IBM和英特尔正在探索它们在量子计算和传感中的潜力。
展望未来，vdW异质结构器件工程的前景仍然非常乐观。随着制造技术的成熟和2D材料供应链的日趋稳健，预计该领域将从原型开发转向多个垂直市场的早期商业化。战略合作伙伴关系、对研发的持续投资和标准化努力将是释放vdW异质结构未来几年全部潜力的关键。
技术概述：范德瓦尔斯异质结构的基本原理
范德瓦尔斯（vdW）异质结构器件工程利用了二维（2D）材料的独特性质，如石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）和六方氮化硼（hBN），以创建原子级精确的界面，而不受晶格匹配的限制。该方法使得不同材料的堆叠成为可能，形成清晰、原子级锐利的界面，从而实现新颖的器件架构和功能，这些都是传统大块半导体无法实现的。
vdW异质结构的基本原理是将层维持在一起的微弱范德瓦尔斯力，允许组装具有不同电子、光学和机械属性的材料。自2018年以来，该领域迅速发展，到2025年，学术和工业界的兴趣激增。工程带对齐、层间耦合和摩尔超晶格的能力使得展示高性能晶体管、隧穿器件、光电探测器和量子设备成为可能。
到2025年，进步的关键在于制造技术的细化。机械剥离法仍然用于原型开发，但逐渐被化学气相沉积（CVD）和分子束外延（MBE）等可扩展方法补充和替代。像牛津仪器和JEOL Ltd.等公司正在提供先进的沉积和表征工具，以支持对2D材料及其异质结构的受控生长和分析。这些工具对于实现晶圆级均匀性和可重复性至关重要，而这些都是商业器件集成的前提。
vdW异质结构的器件工程还受益于转移和对准技术的进步。自动堆叠系统，例如Park Systems开发的系统，能够实现精确的旋转和位移对准，这是利用摩尔物理学和层间激子效应的关键。此外，像HORIBA这样的公司正在提供先进的光谱和电气测量平台，以便在器件制造和测试过程中快速反馈。
展望未来，预计未来几年vdW异质结构器件将从实验室演示转向早期商业应用。目标领域包括低功耗逻辑、类脑计算和高度灵敏的光电探测器。vdW异质结构与硅CMOS平台的集成是主要关注点，产业界和学术界的合作努力旨在克服在可扩展性、界面工程和可靠性方面的挑战。随着生态系统的成熟，设备制造商和材料供应商的作用将对vdW异质结构器件技术的广泛采用至关重要。
近期突破和专利活动（2023-2025）
从2023年到2025年，范德瓦尔斯（vdW）异质结构器件工程经历了显著的进展，这一发展得益于学术研究和工业创新。这些异质结构由原子薄的二维（2D）材料如石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）和六方氮化硼（hBN）堆叠而成，使得具有前所未有的电子、光电子和量子特性的器件成为可能。
在此期间，一个重要的突破是高质量vdW异质结构的可扩展制造。像牛津仪器这样的公司开发了先进的化学气相沉积（CVD）和转移系统，使得可以精确控制层的定向和清洁度，实现双层以上的2D材料的晶圆级生产。这为从实验室规模演示到试点制造线的转型铺平了道路，这是商业化的重要一步。
在器件创新方面，将vdW异质结构集成到隧穿场效应晶体管（TFETs）、光电探测器和存储器件的进展加快。例如，三星电子报告称，基于TMD的异质结构在下一代存储和逻辑器件中的应用取得了进展，利用了它们原子级锐利的界面和可调的带对齐。同样，台积电（TSMC）也探索了使用2D材料堆叠制造超缩放晶体管的潜力，旨在克服传统硅基缩放的局限。
该领域的专利活动激增，尤其是在合成大面积异质结构、利用摩尔超晶格的器件架构以及新型互连方案等方面的申请数量显著增加。根据世界知识产权组织（WIPO）的数据，涉及“范德瓦尔斯异质结构”或“2D材料堆叠”的国际专利申请数量在2022年至2024年间翻了一倍以上，这表明该技术日益增长的商业兴趣和竞争态势。
展望未来几年，vdW异质结构器件工程的前景仍然非常乐观。像应用材料公司（Applied Materials）这样的行业领导者正在投资于针对2D材料集成的工艺设备，同时制造商与研究机构之间的合作倡议也在加速大规模生产的进程。可扩展合成、器件创新和强大的知识产权组合的结合，使得vdW异质结构成为未来电子产品、光电子和量子信息系统的基础技术。
关键参与者与行业合作（如ibm.com、samsung.com、ieee.org）
范德瓦尔斯（vdW）异质结构器件工程领域正在迅速发展，得到领先科技公司、半导体制造商和全球研究机构的重大贡献。到2025年，该领域的格局受到建立的行业巨头和创新型初创企业的塑造，所有参与者都在寻求利用原子级薄材料的独特属性，以开发下一代电子和光电子器件。
在最显著的参与者中，IBM继续在二维（2D）材料研究上进行大量投资，利用其在半导体制造和量子计算方面的专业知识。IBM与学术机构和行业联盟的合作已取得了将vdW异质结构与基于硅平台相结合的突破，旨在克服传统CMOS技术中的缩放限制。
三星电子是另一个关键推动者，其先进技术研究所专注于TMD和石墨烯的可扩展合成和器件集成。三星的努力针对柔性电子、高迁移率晶体管和超灵敏光电探测器，其在过去两年中为基于vdW的器件架构申请了多项专利。
在美国，英特尔公司已与国家实验室和大学启动协作项目，以探索vdW异质结构在低功耗逻辑和存储器件中的潜力。英特尔的路线图包括建设2D材料集成的试点生产线，目标是在2027年前展示可制造的工艺。
在研究和标准化方面，IEEE在促进行业内的合作中发挥着关键作用。通过其会议和工作组，IEEE推动了vdW异质结构器件的特征化和可靠性评估的指导方针的发展，这对于商业应用至关重要。
欧洲的举措也在加速发展，公司如意法半导体（STMicroelectronics）以及诸如石墨烯旗舰计划的联盟正在推动学术界和工业界的合作研究。这些努力得到了欧盟“地平线欧洲”计划的支持，后者为2D材料设备原型项目和基础设施提供资助。
展望未来，预计未来几年将会增加跨行业的合作伙伴关系，代工厂、材料供应商和设备制造商将共同应对大面积合成、界面工程和设备可靠性等挑战。来自IBM、三星、英特尔和意法半导体等公司的专业知识的结合，以及IEEE主导的全球标准化努力，将使vdW异质结构器件领域在2025年及以后的加速创新和商业化中占据有利地位。
市场规模、细分及2025-2030年复合年增长率预测（预计增长18-22%）
全球范德瓦尔斯（vdW）异质结构器件工程市场正迎来强劲扩张，预计2025年至2030年的复合年增长率（CAGR）将在18-22%左右。这一增长得益于对下一代电子、光电子和量子设备的加速需求，这些设备利用了原子级薄层材料的独特属性。预计到2025年，市场规模将达到约12亿至15亿美元，其中来自传统半导体制造商和专门从事二维（2D）材料集成的新兴初创公司的贡献显著。
在vdW异质结构器件市场内，细分主要基于应用领域、材料类型和最终用户行业。关键应用细分包括：
- 电子：利用石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）和六方氮化硼（hBN）等2D材料的场效应晶体管（FETs）、逻辑电路和存储器件。
- 光电子：利用vdW异质结构的可调带隙和高载流子迁移率的光电探测器、发光二极管（LED）和太阳能电池。
- 量子设备：用于量子计算和通信的单光子发射器、量子点和超导结。
- 传感器：利用2D材料的大表面积比和可定制界面而增强的高度灵敏的生物传感器和化学传感器。
材料细分主要由石墨烯、TMD（如MoS2和WS2）、hBN以及新兴的2D材料如黑磷和MXenes主导。最终用户领域包括寻求先进传感器和光电解决方案的半导体代工厂、研究机构、消费电子制造商以及汽车和航空航天行业。
主要行业参与者正在积极投资于vdW异质结构的可扩展合成、转移和集成技术。三星电子和台积电（TSMC）正在积极探索2D材料集成，用于下一代逻辑和存储器件。IMEC作为一个领先的研发中心，正与全球合作伙伴合作开发vdW异质结构的晶圆级制造工艺。像Paragraf这样的初创公司正在商业化基于石墨烯的电子和传感器设备，而2D Semiconductors则为研究和原型开发提供高质量的2D晶体。
展望未来，市场前景仍然非常积极，受到材料质量、器件架构和与现有半导体平台整合方面的持续进展的支持。随着试点生产线向大规模制造转型，新应用在量子和柔性电子领域的涌现，vdW异质结构器件工程部门预计将在2030年之前维持两位数的增长。
新兴应用：量子计算、光电子和柔性器件
范德瓦尔斯（vdW）异质结构器件工程正在迅速发展，预计2025年将是量子计算、光电子和柔性电子新兴应用的关键年份。这些异质结构由原子薄的二维（2D）材料如石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）和六方氮化硼构成，能够实现传统块状材料无法实现的器件架构。
在量子计算中，vdW异质结构因其容纳稳健量子比特和促进新颖量子现象的潜力而受到探索。精确堆叠和对齐2D材料的能力允许工程摩尔超晶格，这可以显示相关电子状态和超导性。像IBM和微软这样的公司正在积极研究基于2D材料的量子设备，力求利用其可调数据结构和减少的无序性开发可扩展的量子处理器。预计到2025年，研究将集中在提高相干时间和将vdW异质结构集成到现有量子硬件平台中。
光电子是vdW异质结构另一重要进展领域。某些TMD具有原子级的锐利界面和直接的带隙，使得它们能够实现高效的光–物质相互作用，使其成为下一代光电探测器、发光二极管（LED）和太阳能电池的理想选择。三星电子和东芝公司是开发利用vdW异质结构独特激子性质的原型设备的工业领军者，目标是开发超快和低功耗的光电组件。在2025年及以后，重点可能会转向大面积合成和与硅光子学的集成，目标是在电信和成像领域实现商业可行性。
柔性和可穿戴的电子器件代表了vdW异质结构器件工程的第三个前沿。二维材料的固有柔韧性和机械韧性使其非常适合用于可弯曲的显示器、传感器和储能设备。LG电子和索尼集团公司正在投资开发基于vdW异质结构的柔性晶体管和透明电极，目标是应用于可折叠智能手机和智能纺织品。预计未来几年将会看到可扩展卷对卷制造和改善层间黏合的进展，以解决大规模生产中的关键挑战。
总体而言，vdW异质结构器件工程在2025年及近期的前景以快速商业化的进程为特征，推动这一进程的主要力量是领先科技公司与研究机构之间的合作。随着合成技术的成熟和集成挑战的解决，vdW异质结构预计将在量子计算、光电子和柔性器件市场中发挥变革性作用。
制造挑战与可扩展性解决方案
制造范德瓦尔斯（vdW）异质结构器件——将不同二维（2D）材料的原子薄层精确堆叠——在从实验室规模演示转向可扩展工业生产时面临着显著挑战。到2025年，主要障碍包括实现晶圆级均匀性、保持原始界面和将这些材料集成到现有半导体工艺中。
最持久的挑战之一是高质量、大面积2D材料的合成。虽然机械剥离法仍然是研究的金标准，但其不可扩展。化学气相沉积（CVD）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）已经成为生长单层和少层材料（如石墨烯、MoS2和hBN）的领先技术。像2D Semiconductors和Graphenea这样的公司正在积极提供CVD生长的2D材料，并持续改进域大小和缺陷密度。然而，实现6英寸或更大晶圆的一致性和重复性仍然是技术瓶颈。
另一个关键问题是不同2D层的可预见性堆叠，且不引入污染或错位。自动转移系统正在开发中，例如牛津仪器提供先进的干转移和封装工具。这些系统旨在尽量减少聚合物残留和环境暴露，这可能会降低器件性能。然而，与传统半导体制造相比，这些过程的产量和吞吐量仍然有限。
与基于硅的平台的集成也是一个主要焦点。目前正在努力开发混合工艺流程，使得vdW异质结构能够纳入到CMOS兼容的制造线中。行业联盟和研究合作，包括与台积电和三星电子的合作，正在探索2D材料集成的试点生产线，目标是逻辑、存储和传感应用。
展望未来，预计未来几年在材料合成和器件组装方面将会实现渐进式进展。卷对卷CVD系统和原位表征工具的开发预计将改善可扩展性和质量控制。由半导体行业协会等组织主导的标准化努力可能会通过建立材料质量和工艺兼容性基准来加速vdW异质结构器件的采用。尽管全面商业化仍然面临挑战，但材料科学、自动化和半导体工程的融合有望使vdW异质结构器件制造在2020年代末更接近于工业现实。
法规、标准化及可持续性举措（如ieee.org）
范德瓦尔斯（vdW）异质结构器件工程的法规、标准化和可持续性环境正在迅速演变，因为该领域正在从实验室规模研究转向早期商业化。到2025年，重点将放在建立强有力的框架上，以确保器件的可靠性、互操作性和环境责任，特别是随着vdW异质结构——由如石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）和六方氮化硼等原子薄层构成——向下一代电子、光电子和量子设备的集成迈进。
标准化工作由国际机构如IEEE主导，该组织正在积极制定2D材料及其异质结构的特征化、测量和报告指南。IEEE的纳米技术委员会及相关工作组正与学术界和工业界的利益相关者合作，定义材料质量、器件性能指标和可靠性测试的协议。这些标准对于确保研究小组和制造商之间的可重复性和可比性至关重要，并预计将在未来几年得到更广泛的正式化和采用。
在法规方面，美国、欧盟和亚洲的监管机构开始解决vdW异质结构所带来的独特挑战，特别是在材料安全、供应链透明度和生命周期管理方面。例如，欧洲化学品管理局（ECHA）在《REACH》法规下对包括2D材料在内的纳米材料的使用进行了监控，正在就风险评估和标签要求进行持续磋商。同时，美国环境保护局（EPA）也在评估纳米材料生产和处置的环境与健康影响，重点关注生命周期分析和针对危险物质的潜在限制。
随着行业领袖意识到负责任的采购和制造的重要性，可持续性倡议正在蓬勃发展。像牛津仪器和JEOL Ltd.等主要供应2D材料合成和表征设备的公司，越来越强调绿色化学方法、节能加工和过程化学的回收。这些努力得到产业界与学术界之间合作项目的支持，旨在开发用于vdW异质结构的可扩展、低影响的生产方法，如使用较少毒性的前驱体和无溶剂转移技术的化学气相沉积（CVD）。
展望未来，预计未来几年将会形成国际标准的新形式，纳米材料设备的监管要求将会出台，以及针对2D材料的可持续性认证将会扩展。这些发展预计将促进vdW异质结构器件在商业应用中的更广泛采用，同时确保在整个价值链中提供安全、可靠和环境责任。
投资趋势、融资与并购活动
范德瓦尔斯（vdW）异质结构器件工程的投资环境在进入2025年时表现出显著的动力，得益于先进材料研究、半导体行业需求的融合，以及下一代电子产品的前景。风险投资和企业融资越来越多地瞄准专注于二维（2D）材料集成的初创企业和扩展公司，尤其是我们关注应用于晶体管、光电探测器和量子设备的领域。
像台积电（TSMC）、三星电子和英特尔公司等半导体和材料部门的关键参与者，已公开披露了探索vdW异质结构以实现低于5nm的逻辑和存储器件的研究倡议和协作项目。这些公司不仅在内部进行投资，还与学术机构和新兴技术公司建立战略合作伙伴关系，以加速基于2D材料的器件的商业化。
在2024年和2025年初，几家专注于vdW异质结构制造和器件原型开发的早期公司获得了可观的种子轮和A轮融资。例如，有关可扩展化学气相沉积（CVD）和2D材料转移技术的初创公司获得了来自企业风险投资和专门深科技基金的投资。特别值得注意的是，应用材料公司（Applied Materials）和LAM研究公司（Lam Research）—为半导体制造设备的领先供应商—已将其投资组合扩展到包括开发vdW堆叠和集成工具的公司，标志着对该技术对未来工艺节点潜在影响的认可。
尽管与成熟的半导体细分市场相比并购（M&A）活动仍处于初级阶段，但近年来开始出现。例如，在2024年底，一项显著的收购涉及一家拥有专有vdW组装技术的欧洲材料初创公司被一家大型亚洲代工厂收购，旨在获得知识产权并加速试点线的部署。这类举措反映出行业内既有公司寻求垂直整合关键vdW能力，以缩短先进器件架构的上市时间的更广泛趋势。
展望未来几年，vdW异质结构器件工程的投资和并购前景仍然强劲。随着试点生产线向早期商业部署转型，特别是在逻辑、存储和光电子应用方面，分析师预测将会增加资本流入、进一步的战略联盟以及逐步上升的并购活动。该领域的发展将受到技术里程碑的进展、供应链的成熟和初创公司展示可扩展、可靠的制造流程的能力的影响，以满足领先半导体制造商的严格要求。
未来展望：颠覆潜力和战略建议
范德瓦尔斯（vdW）异质结构器件工程在未来几年有望颠覆多个领域，利用二维（2D）材料的独特性质，如石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）和六方氮化硼。到2025年，该领域正在从基础研究转向早期商业化，重要投资和试点级制造正在进行中。以精确控制的方式堆叠原子薄层的能力使得能够制造出定制的电子、光电子和量子设备，其性能特性是传统半导体技术所无法实现的。
行业主要参与者正在加速可扩展合成和转移技术的研发。三星电子和台积电（TSMC）均已宣布针对vdW异质结构的研究倡议，目标是开发下一代晶体管和存储设备，并力图克服基于硅的CMOS缩放限制。IBM也积极探索2D材料集成，用于逻辑和类脑计算，重点放在能效和设备小型化上。
在光电子领域，Novaled和OSRAM正在研究vdW异质结构用于超薄、柔性光电探测器和发光设备，目标是针对可穿戴电子和先进显示设备。在此期间，牛津仪器和JEOL Ltd.正在提供先进的沉积和表征工具，以便在原子级实现可重复的制造和质量控制。
展望未来，vdW异质结构器件的颠覆潜力在于它们能够实现全新的器件架构。例如，垂直隧道晶体管、单光子发射器和室温量子设备都在可预期之内，承诺在量子计算、安全通信和高性能传感等领域实现突破。未来几年，预计会看到在量子光子学和柔性电子等小众市场中出现首个商业原型，广泛采用依赖于进一步推动晶圆级合成、缺陷控制和与现有半导体工艺的集成。
战略上，公司和研究机构应优先考虑合作伙伴关系，以缩小实验室规模演示与工业规模生产之间的差距。对标准化、供应链发展和劳动力培训的投资将对实现vdW异质结构器件工程的全部潜力至关重要。随着生态系统的成熟，拥有强大知识产权和可扩展流程的早期参与者将在新兴的2D材料市场中捕获重要价值。
来源与参考文献
- 2D Semiconductors
- 国际微电子中心（imec）
- IBM
- 牛津仪器
- JEOL Ltd.
- HORIBA
- 世界知识产权组织（WIPO）
- IEEE
- 意法半导体（STMicroelectronics）
- Paragraf
- IBM
- 微软
- LG电子
- 半导体行业协会
- 牛津仪器
- Novaled
- OSRAM
