原子厚度技术取代硅基芯片，全球首个二维计算机问世

该研究成果今日（6月11日）发表于《自然》期刊，研究者称其代表了实现更薄、更快、更高能效电子器件的重大飞跃。他们摒弃硅材料，转而采用两种不同的二维材料开发了CMOS计算机所需的两类晶体管：二硫化钼（MoS₂）用于n型晶体管，二硒化钨（WSe₂）用于p型晶体管。CMOS技术是几乎所有现代电子设备的核心。

“硅通过实现场效应晶体管（FET）的持续微型化，驱动了电子学领域数十年的显著进步，”宾夕法尼亚州立大学工程科学力学系Ackley讲席教授、研究负责人Saptarshi Das解释道，“然而，随着硅器件尺寸缩小，其性能开始下降。相比之下，二维材料在原子厚度下仍保持卓越的电子特性，为未来发展提供了可行路径。”

Das指出，CMOS技术需要n型和p型半导体协同工作以实现高能效下的高性能——这是阻碍超越硅材料的关键挑战。尽管先前研究展示了基于二维材料的小型电路，但扩展至复杂的功能性计算机仍面临障碍。

“这正是我们工作的核心突破，”Das强调，“我们首次展示了完全由二维材料构建的CMOS计算机，结合了大面积生长的二硫化钼和二硒化钨晶体管。”

团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺——该工艺通过汽化原料、引发化学反应并将产物沉积在基底上——生长出大面积的二硫化钼和二硒化钨薄膜，并制备了各逾千只的晶体管。通过精确调控器件制备和后处理步骤，他们成功调整了n型和p型晶体管的阈值电压，从而构建出全功能的CMOS逻辑电路。

“我们的二维CMOS计算机可在低电源电压下运行，功耗极低，并能以高达25千赫兹的频率执行简单逻辑运算，”论文第一作者、Das指导的工程科学力学博士生Subir Ghosh表示。

Ghosh指出，该工作频率虽低于传统硅CMOS电路，但这台单指令集计算机仍能完成基础逻辑操作。

“我们还建立了计算模型，利用实验数据校准并纳入器件间差异，以此预测二维CMOS计算机性能并与尖端硅技术进行基准测试，”Ghosh补充道，“尽管存在进一步优化空间，此项工作标志着利用二维材料推动电子学领域的重要里程碑。”

Das对此表示认同，他指出需继续开发二维CMOS计算机方案以实现广泛应用，同时强调该领域发展速度相较硅技术更为迅猛。

“硅技术发展历经约80年，而二维材料研究相对较新，约2010年才兴起，”Das解释，“我们预计二维材料计算机的发展也将是渐进过程，但相较于硅的发展轨迹，这已是重大飞跃。”

Ghosh与Das将成果归功于宾夕法尼亚州立大学二维晶体联盟材料创新平台（2DCC-MIP）提供的设施与工具。Das同时隶属于宾夕法尼亚州立大学材料研究所、2DCC-MIP以及电气工程系和材料科学与工程系。其他贡献者包括宾夕法尼亚州立大学工程科学力学系的博士生Yikai Zheng, Najam U. Sakib, Harikrishnan Ravichandran, Yongwen Sun, Andrew L. Pannone, Muhtasim Ul Karim Sadaf和Samriddha Ray；以及助理教授Yang Yang。Yang同时隶属于材料研究所和宾夕法尼亚州立大学核工程系。2DCC-MIP主任、材料科学与工程及电气工程杰出教授Joan Redwing，以及助理研究教授Chen Chen也参与了论文撰写。其他合作者包括Musaib Rafiq和Subham Sahay（印度理工学院）；以及Mrinmoy Goswami（贾达普大学）。

美国国家科学基金会、陆军研究办公室和海军研究办公室部分支持了此项工作。