原子级薄科技应用于世界首款二维计算机，替代硅基芯片

2025-06-21 16:34:45 基础科学阅读

宾夕法尼亚州立大学的研究人员向硅在电子领域长期主导地位发起大胆挑战，成功制造出全球首台完全基于原子厚度二维材料的CMOS计算机。他们利用二硫化钼和二硒化钨制备了超过2,000个晶体管，使计算机无需传统硅材料即可执行逻辑运算。尽管仍处于早期阶段，这项突破预示着电子设备将迎来激动人心的未来：由仅一个原子厚的材料驱动，设备将变得更轻薄、更快速，且能效显著提升。

今日（6月11日）发表于2 FET在V_DS=1V下实现336 µA/µm的I_DS,N的转移特性（线性与对数坐标）。（b）同一n型MoS₂"优胜"器件的输出特性。（c）我们的"优胜器件"在现有n型二维晶体管文献中的最佳结果对比下的I_ON,N与I_OFF,N（V_BG=0V）关系图。（d）我们的"优胜"p型WSe₂ FET在V_DS=1V下实现306 µA/µm的I_DS,P的转移特性（线性与对数坐标）。（e）同一p型WSe₂"优胜"器件的输出特性。（f）我们的"优胜器件"在现有p型二维晶体管文献中的最佳结果对比下的I_ON,P与I_OFF,P（V_BG=0V）关系图。 ### 扩展数据图3 （a）基于MoS₂的NMOS和基于WSe₂的PMOS反相器示意图。（b）基于MoS₂的NMOS和基于WSe₂的PMOS反相器的瞬态响应。（c）比较CMOS、NMOS和PMOS反相器的上升时间（τ_rise）、下降时间（τ_fall）和传播延迟（τ_delay=τ_rise+τ_fall）的柱状图。 ### 扩展数据图4 （a）连接至二维CMOS反相器输出端的负载电容（C_L）示意图，用于评估测量装置相关寄生电容C_P,setup的影响。（b）不同C_L值下的反相器响应。（c）τ_delay随C_L的变化关系，表明二维CMOS反相器的响应受限于测量装置的寄生电容（C_P,setup），估算C_P,setup约为100 pF。 ### 扩展数据图5 使用实验数据校准工业标准SPICE兼容BSIM-BULK模型的结果：（a）n型MoS₂ FET和（b）p型WSe₂ FET。 ### 扩展数据图6 不同逻辑门在负载电容（C_L）为1fF时的传播延迟模拟累积分布。 ### 扩展数据图7 （a）在负载电容（C_L）为1fF假设下，硅与二维CMOS技术中跨工艺角RSSB操作延迟时间的对比。（b）所提出的二维CMOS OISC实现的相对效率（RE）指标。 **扩展数据表1 n型MoS₂ FET性能基准测试参考文献** 全尺寸表格 **扩展数据表2 p型WSe₂ FET性能基准测试参考文献** 全尺寸表格 **扩展数据表3 基于硅与非硅材料的集成电路早期演示** 全尺寸表格 ## 补充信息 ### 补充图补充图1–8。 ## 权利与许可施普林格·自然或其许可方（例如学会或其他合作方）根据与作者或其他权利人签订的出版协议，对此文持有独家权利；作者对已接受稿件版本的自存档仅受该出版协议条款及适用法律约束。转载与许可 ## 关于本文 ### 引用本文 Ghosh, S., Zheng, Y., Rafiq, M. et al. 基于互补二维材料的单指令集计算机。Nature**642**, 327–335 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7 下载引用 - 收稿日期：2024年7月22日 - 接受日期：2025年4月2日 - 出版日期：2025年6月11日 - 刊期：2025年6月12日 - DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7 ### 分享本文您可通过以下链接与任何人共享此内容：获取可分享链接抱歉，本文暂无可用分享链接。复制至剪贴板由施普林格·自然SharedIt内容共享计划提供 ">Nature期刊的研究成果代表着实现更轻薄、更快速、更高能效电子器件的重大飞跃。研究人员开发了一种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——且未依赖硅材料。相反，他们采用两种不同的二维材料制备了控制CMOS计算机电流所需的两种晶体管：二硫化钼（MoS₂）用于n型晶体管，二硒化钨（WSe₂）用于p型晶体管。

“硅通过实现场效应晶体管（FET）的持续小型化，驱动了电子学数十年的显著进步，”宾夕法尼亚州立大学Ackley讲席教授、工程科学与力学系教授、研究负责人3纳米膜中初生铁电性的多功能二维FET"，Nature Communications, (15), pp. 10739 Harikrishnan Ravichandran, Theresia Knobloch, Shiva Subbulakshmi Radhakrishnan, Christoph Wilhelmer, Sergei P Stepanoff, Bernhard Stampfer, Subir Ghosh, Aaryan Oberoi, Dominic Waldhoer, Chen Chen, Joan M Redwing, Douglas E Wolfe, Tibor Grasser and Saptarshi Das, 2024, "利用二维材料中点缺陷的随机编码器"，Nature Communications,**15**, pp. 10562 Yaqing Shen, Kaichen Zhu, Yiping Xiao, Dominic Waldhör, Abdulrahman H Basher, Theresia Knobloch, Sebastian Pazos, Xianhu Liang, Wenwen Zheng, Yue Yuan, Juan B Roldan, Udo Schwingenschlögl, He Tian, Huaqiang Wu, Thomas F Schranghamer, Nicholas Trainor, Joan M Redwing, Saptarshi Das, Tibor Grasser and Mario Lanza, 2024, "采用六方氮化硼电介质与高内聚能金属栅电极的二维材料晶体管"，Nature Electronics,**7**, (10), pp. 856-867 Subir Ghosh, Yikai Zheng, Zhiyu Zhang, Yongwen Sun, Thomas F Schranghamer, Najam U Sakib, Aaryan Oberoi, Chen Chen, Joan M Redwing, Yang Yang 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Subir Ghosh, Yikai Zheng, Musaib Rafiq, Harikrishnan Ravichandran, Yongwen Sun, Chen Chen, Mrinmoy Goswami, Najam U Sakib, Muhtasim Ul Karim Sadaf, Andrew Pannone, Samriddha Ray, Joan M. Redwing, Yang Yang, Shubham Sahay, Saptarshi Das.A complementary two-dimensional material-based one instruction set computer.Nature, 2025; 642 (8067): 327 DOI:10.1038/s41586-025-08963-7

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