随着AI、大数据时代的到来，一些新的计算架构和机制已经被引入下一代计算技术。得益于二维材料独特的性质，基于二维材料的存储器件、神经形态器件、量子器件、离子晶体管等被广泛地研究和应用，成为后摩尔时代突破物理极限的核心引擎。
最典型也是最早实验证明的二维材料是石墨烯。2004年，K. S. Novoselov等人在Science杂志发表文章，报道了通过机械剥离的方法从高取向的裂解石墨中获得了石墨烯，且证明了其独特优异的电学性质。
    作为首个被发现的二维材料，厚度仅0.335纳米的石墨烯，被认为是最具潜力的半导体替代材料，拥有极其优异的物理性质，如高强度、高导电性、高导热性等，科学界期望利用它制备新一代的半导体器件，是下一代“碳基半导体”强有力的候选材料。
    之前IBM一项研究表明，相比硅基芯片，石墨烯芯片在性能和功耗方面预期将有较大提升。比如，7纳米制程的石墨烯芯片相比7纳米制程的硅基芯片，速度提升高达300%——前提是能够在石墨烯的能带里打开一个“空隙”。
    然而，石墨烯作为一个半金属的材料，其零带隙特性无法达到理想半导体电流关闭的状态，难以被制成像晶体管一样的电子开关元件，限制了其在逻辑器件中的应用。因此，尽管K. S. Novoselov团队制备出了石墨烯，但其仍然在2007年的一篇关于石墨烯的评论文章中流露出悲观情绪。
    石墨烯诞生后的很长一段时间里，也的确未能在半导体领域找到“用武之地”。尽管如此，但以石墨烯为代表的二维材料仍获得了较大关注，新的二维材料如雨后春笋般涌现。
    自 2004 年石墨烯分离成功以来，过渡金属二硫族化合物（TMDCs，如MoS₂、WS₂）、六方氮化硼（h-BN）、黑磷及 MXene 等二维材料体系得到广泛研究。尤其是2010年后，单层MoS₂晶体管的成功制备标志着二维半导体进入实用化阶段。
    2024年，中国天津大学和美国佐治亚理工学院科研人员组成的研究团队，使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上的生长方法，取得重大突破，生产出了外延半导体石墨烯单层。研究发现，如果制造得当，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并表现出半导体特性，这成功攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，打开了石墨烯带隙，实现了从“0”到“1”的突破。相关论文发表在《Nature》上。所以，石墨烯因此也有了“新生”。
    正是基于诸多优势，从石墨烯被发现开始，二维材料已逐渐成为一个成员众多、类别多样的庞大家族。这些常见的二维半导体材料各自具有不同的能带结构和电子特性，覆盖从超导体、金属、半金属、半导体到绝缘体等材料类型，同时也具有优异的光学、力学、热学、磁学等性质。