原子级厚度技术在全球首台二维计算机中取代硅基芯片

研究人员表示，这项今日（6月11日）发表于 《自然》期刊的研究成果，标志着向实现更薄、更快、更高能效电子设备的重大飞跃。他们创建了不依赖硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机——该技术是现代几乎所有电子设备的核心。取而代之的是，他们采用两种不同的二维材料来开发CMOS计算机中控制电流所需的两种晶体管：用于n型晶体管的二硫化钼和用于p型晶体管的二硒化钨。

领导该研究的宾夕法尼亚州立大学阿克雷工程学教授、工程科学与力学系教授萨普塔西·达斯表示："数十年来，硅通过实现场效应晶体管（FET）的持续微型化，推动了电子领域的显著进步。"场效应晶体管通过施加电压产生电场来控制电流流动。"然而随着硅器件尺寸缩小，其性能开始下降。相比之下，二维材料在原子级厚度下仍能保持优异的电子特性，为未来发展提供了广阔前景。"

达斯解释道，CMOS技术需要n型和p型半导体协同工作，才能在低功耗下实现高性能——这是阻碍突破硅基技术的关键挑战。尽管先前研究已展示基于二维材料的小型电路，但达斯指出，将其扩展至复杂的功能性计算机始终面临重大困难。

"这正是我们研究的核心突破，"达斯强调，"我们首次展示了完全由二维材料构建的CMOS计算机，它融合了大面积生长的二硫化钼和二硒化钨晶体管。"

研究团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺——该制造技术通过汽化原料、引发化学反应并将产物沉积在基底上——生长了大尺寸二硫化钼和二硒化钨薄层，并分别制备了超过1000个晶体管。通过精确调控器件制造和后处理步骤，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CMOS逻辑电路。

论文第一作者、在达斯指导下攻读工程科学与力学博士学位的苏比尔·戈什表示："我们的二维CMOS计算机在低工作电压下运行，功耗极低，能以高达25千赫兹的频率执行基本逻辑运算。"

戈什指出，与传统硅基CMOS电路相比其工作频率较低，但这台被称为"单指令集计算机"的设备仍能完成简单逻辑操作。

"我们还开发了计算模型，通过实验数据校准并纳入器件间差异，以预测二维CMOS计算机性能并与尖端硅技术进行基准测试，"戈什补充道，"尽管存在进一步优化空间，这项成果标志着利用二维材料推动电子领域发展的重大里程碑。"

达斯对此表示认同，他解释虽然二维CMOS计算机的广泛应用仍需深入研究，但相较于硅技术的发展历程，该领域进展极为迅速。

"硅技术历经约80年发展，而二维材料研究相对较新，真正兴起于2010年前后，"达斯分析道，"我们预期二维材料计算机也将经历渐进发展过程，但相比硅技术的发展轨迹，这已是质的飞跃。"

戈什与达斯将成果归功于宾夕法尼亚州立大学的二维晶体联盟材料创新平台（2DCC-MIP）提供的关键设施与工具支持。达斯同时隶属于宾州州立大学材料研究院、2DCC-MIP以及电气工程系和材料科学与工程系。其他贡献者包括宾州州立大学工程科学与力学系的博士生郑一凯、纳杰姆·U·萨基布、哈里克里希南·拉维钱德兰、孙永文、安德鲁·L·潘农、穆赫塔西姆·乌尔·卡里姆·萨达夫和萨姆里达·雷；以及助理教授杨阳（杨阳同时任职于材料研究院和核工程系）。二维晶体联盟材料创新平台主任、材料科学与工程及电气工程杰出教授琼·雷德温，以及助理研究教授陈晨亦为论文合著者。其他合作者包括印度理工学院的穆萨伊布·拉菲克和苏巴姆·萨海，以及贾达普大学的姆林莫伊·戈斯瓦米。

本研究部分获得美国国家科学基金会、陆军研究办公室和海军研究办公室的资助。