“晶体管”北大在Nature上演“帽子戏法”！

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3月22日晚间，Nature官网发布多篇论文

北京大学三项成果同时在线发表

上演“帽子戏法”

生命科学学院肖俊宇研究员研究组

发表成果

《FcμR受体对免疫球蛋白IgM的识别》

化学与分子工程学院彭海琳教授课题组

发表成果

《外延高κ栅氧化物集成型二维鳍式晶体管》

电子学院彭练矛教授-邱晨光研究员课题组

发表成果

《二维硒化铟弹道晶体管》

揭示，突破！

肖俊宇研究组通过结构生物学、生物化学和细胞生物学等手段揭示了FcμR特异性感知不同形式IgM的分子机制，为深入理解IgM的生物学功能奠定了基础。

IgM是人体内五类免疫球蛋白之一，主要由脾脏和淋巴结中浆细胞分泌合成，具有强大的杀菌、激活补体、免疫调理和凝集作用，在免疫应答早期阶段发挥重要功能。FcμR（也称为Toso或Faim3）是哺乳动物中唯一的IgM特异性受体，它可以与不同形式的IgM（包括膜结合型IgM单体、血清中的IgM五聚体和六聚体以及分泌型IgM）结合，从而参与B细胞发育、免疫系统稳态调控和抗原呈递等过程。在慢性淋巴细胞白血病患者中，B细胞表面FcμR的高表达也体现了其在免疫系统和疾病发生中的重要性。但在过去，FcμR发挥功能的分子机制尚不明确。

肖俊宇研究组的最新成果《FcμR受体对免疫球蛋白IgM的识别》（Immunoglobulin M perception by FcμR）于3月22日在线发表于Nature，揭示了FcμR识别不同形式IgM的分子机制。这是继2020年肖俊宇研究组在Science杂志发表论文阐明IgM五聚体组装和黏膜转运的分子机制之后的又一重大突破。

为了探究FcμR对不同形式IgM的识别机制，该研究首先重组表达了FcμR-D1结构域和IgM-Cμ4结构域的复合体，并解析了其晶体结构。接着，该研究进一步利用冷冻电镜技术解析了IgM五聚体核心区和FcμR胞外域组成的复合体结构。进一步地，该研究利用冷冻电镜技术解析了FcμR与分泌型IgM核心区形成的复合物结构。为了评估上述研究的功能相关性，该研究又设计了FcμR突变体，并通过体外蛋白互作、荧光共聚焦显微镜、流式细胞术等手段对上述结果进行了验证。

总之，该研究通过结构生物学、生物化学和细胞生物学等手段揭示了FcμR特异性感知不同形式IgM的分子机制，为深入理解IgM的生物学功能奠定了基础。

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研究成果Nature截图

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FcμR受体对膜结合型 IgM、IgM五聚体和分泌型IgM的识别模型

蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学生命科学学院、北大清华生命科学联合中心肖俊宇研究员为该论文的通讯作者。北京大学已出站博士后李雅鑫、生命科学学院19级博士生沈皓、前沿交叉学科研究院19级博士生张瑞雪为该论文的共同第一作者。本研究还得到了北京大学生命科学学院启东产业创新基金、昌平实验室、中国博士后科学基金（博新计划）、北京大学博雅博士后项目的支持。

解决“老大难”的焦点问题

彭海琳课题组报道了全球首例外延高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管。这一原创性工作突破了后摩尔时代高速低功耗芯片的二维新材料精准合成与新架构集成瓶颈，为开发未来先进芯片技术带来了新的机遇。

近年来，我国“芯片荒”这一“老大难”问题屡屡成为焦点。为了让“卡脖子”的手松一点，北大人一直在这条荆棘丛生的道路上砥砺前行，力求为我国集成电路技术的迭代升级事业添砖加瓦。2023年3月22日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授课题组在Nature在线发表题为《外延高κ栅氧化物集成型二维鳍式晶体管》（2D fin field-effect transistors integrated with epitaxial high-κ gate oxide）的研究论文。这一研究报道了世界首例二维半导体鳍片/高κ栅氧化物异质结阵列的外延生长及其三维架构的集成制备，并研制了高性能二维鳍式场效应晶体管（2D FinFET）。

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研究成果Nature截图

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高κ栅氧化物集成型二维鳍式晶体管（2D FinFET）示意图

北京大学彭海琳教授课题组长期从事二维材料物理化学与表界面调控研究，致力于解决具有挑战性的国际前沿科学问题。近期，他们致力于将高迁移率二维半导体与高κ栅介质精准集成并极限微缩成三维新架构。彭海琳教授课题组独辟蹊径，建立了绝缘基底上晶圆级二维半导体Bi2O2Se垂直鳍片阵列的外延生长方法。同时，利用可控氧化方法，实现了二维Bi2O2Se鳍片/高κ自氧化物Bi2SeO5异质结的外延集成。新型二维半导体沟道/外延集成高κ栅介质基二维鳍式晶体管在迁移率（270cm2/Vs）、关态电流（1 pA/μm）和电流开关比（108）等性能满足业界高性能低功耗器件要求；在开态电流密度方面，相对于商用硅、锗及二维过渡金属硫化物（TMD）等材料，Bi2O2Se/Bi2SeO5二维鳍式晶体管也展现出电子学上的优势和潜力。

北京大学彭海琳教授是该论文工作的通讯作者，北京大学化学与分子工程学院BMS Fellow博士后谭聪伟、博士研究生于梦诗、唐浚川、高啸寅是共同第一作者。生长理论计算和形貌表征方面的主要合作者还包括韩国蔚山国立科技研究院丁峰教授、清华大学物理系姜开利教授等。该研究成果得到国家自然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研究中心、腾讯基金会、北京大学博雅博士后、北京分子科学国家研究中心博士后项目等机构和项目的资助，并得到了北京大学化学与分子工程学院的分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台的支持。

迄今世界速度最快！

彭练矛教授-邱晨光研究员课题组首次使得二维晶体管实际性能超过Intel商用10纳米节点的硅基Fin晶体管，并且将二维晶体管的工作电压降到0.5V，这也是世界上迄今速度最快能耗最低的二维半导体晶体管。

芯片为大数据和人工智能的发展提供源源不断的动力，芯片速度的提升得益于晶体管的微缩，然而当前传统硅基场效应晶体管的性能逐渐接近其本征物理极限。迄今为止，所有二维晶体管所实现的性能均不能媲美业界先进硅基晶体管，其实验结果远落后于理论预测。

近期，北京大学电子学院彭练矛教授-邱晨光研究员课题组制备了10纳米超短沟道弹道二维硒化铟晶体管，成为世界上迄今速度最快能耗最低的二维半导体晶体管。该研究成果以《二维硒化铟弹道晶体管》（Ballistic two-dimensional InSe transistors）为题，3月22日在线发表于Nature.

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研究成果Nature截图

本工作实现了三方面技术革新：首先，采用高载流子热速度（更小有效质量）的三层硒化铟作沟道，实现了目前场效应晶体管的最高值；第二，解决了二维材料表面生长超薄氧化层的难题，制备出2.6纳米超薄双栅氧化铪，将器件跨导提升到6毫西·微米，超过所有二维器件一个数量级；最后，开创了掺杂诱导二维相变技术，克服了二维器件领域金半接触的国际难题，将总电阻刷新至124欧姆·微米。

这项工作突破了长期以来阻碍二维电子学发展的关键科学瓶颈，将n型二维半导体晶体管的性能首次推近理论极限，率先在实验上证明出二维器件性能和功耗上优于先进硅基技术，为推动二维半导体技术的发展注入了强有力的信心和活力。

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展望：更快更省电的低维半导体芯片

电子学院博士生姜建峰与徐琳博士为并列第一作者，彭练矛教授和邱晨光研究员为共同通讯作者，北京大学电子学院为论文唯一单位。

每一篇文章的背后，都凝缩了团队每一位成员的心血，是数十名北大人历经无数失败与彻夜难眠后，结出的那颗最耀眼的结晶。北大是常为新的。一篇篇研究成果即是一个个清晰见证，诉说着北大人推动科学的发展、谋求人类的进步的初心与使命。

未来，期待更多的“帽子戏法”接连上演。北大人在科研之路上将愈战愈勇，常攀高峰！

好了，关于北大在Nature上演“帽子戏法”！就讲到这。