2D材料（Two-Dimensional Materials：二維材料）是由1層或數層原子構成的片狀結晶材料總稱。代表例除了石墨烯（碳原子的六方晶格薄片）之外，還有二硫化鉬（MoS₂）、二硒化鎢（WSe₂）等過渡金屬二硫屬化物（TMD）類，以及六方晶氮化硼（h-BN）等。作為邁向超越矽極限之終極微縮的次世代通道材料，相關研究十分活躍。
在半導體元件應用上特別受矚目的是TMD系2D材料。MoS₂與WSe₂在1層原子的厚度（約0.6～0.7nm）下即具有能隙，由於通道極薄，可將短通道效應抑制到極限。矽FinFET或GAA奈米片在通道厚度小於數nm時難以維持結晶品質，2D材料可避開此問題，這是其優勢所在。此外，高遷移率、低關閉電流與優異的電性切換特性也是其特點。
2D材料的課題在於大面積、高品質薄膜的形成技術（成膜與轉印）十分困難。石墨烯可用CVD（化學氣相沉積）進行大面積合成，但TMD系的難度更高，均勻的單層形成、無損傷的基板轉印、低電阻歐姆接觸的形成等都是主要研究課題。MIT、imec、台灣大學等研究機構，以及應用材料、ASM International等設備廠商正引領技術開發。
石墨烯除了電晶體通道之外，也在評估多種應用。由於能隙為0，不適合作為邏輯電晶體，但利用其高遷移率的RF電晶體、導熱材料（散熱片）、透明電極與軟性電子等應用正在推進。此外，h-BN具有優異的介電特性，被用作2D材料元件的閘極絕緣膜與基板。
2D材料預計要到2030年代以後才會實用化，但研究投資正快速擴大，英特爾的藍圖也已納入2D材料通道電晶體。若能實現2D材料的CMOS整合，即可超越矽的極限延續微縮，並擴展至AI半導體、記憶體元件與感測器等應用。對相關材料廠商（Sigma-Aldrich等）與CVD設備廠商而言，這是備受關注的新事業機會。