原子级厚度技术在全球首台二维计算机中替代硅基芯片

今日（6月11日）发表于Nature的这项研究成果，标志着向更薄、更快、更高能效电子器件迈出重大飞跃。研究团队在不依赖硅材料的情况下，开发出互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机——该技术是现代电子设备的核心组件。他们采用两种不同二维材料分别构建CMOS计算机所需的两种晶体管：二硫化钼（MoS₂）用于n型晶体管，二硒化钨（WSe₂）用于p型晶体管。

"数十年来，硅通过实现场效应晶体管（FET）的持续微型化，驱动了电子领域的显著进步，"论文通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系Ackley讲席教授Saptarshi Das解释道。FET利用施加电压产生的电场控制电流流动。"但随着硅器件尺寸缩小，其性能开始退化。相比之下，二维材料在原子级厚度下仍保持卓越电子特性，提供了前景广阔的发展路径。"

Das指出，CMOS技术需要n型和p型半导体协同工作，以实现低功耗下的高性能——这正是超越硅材料的主要挑战。尽管先前研究展示了基于二维材料的小型电路，但将技术扩展至复杂功能性计算机始终未能实现。

"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，整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）技术——通过汽化原料、触发化学反应并将产物沉积至基底——生长大面积二硫化钼和二硒化钨薄层，制备了各1000余个晶体管。通过精确调控器件制造和后处理工艺，他们成功调整了n型和p型晶体管的阈值电压，构建出全功能CMOS逻辑电路。

"我们的二维CMOS计算机在低工作电压下运行，功耗极微，最高能以25千赫频率执行基础逻辑运算，"论文第一作者、Das指导的工程科学与力学博士生Subir Ghosh表示。

Ghosh说明，该频率虽低于传统硅基CMOS电路，但这台单指令集计算机（OISC）仍能完成基本逻辑操作。

"我们同时开发了计算模型，通过实验数据校准并纳入器件间差异，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，"尽管仍有优化空间，这项工作标志着利用二维材料推进电子领域的重要里程碑。"

Das赞同此观点，指出二维CMOS计算机技术的广泛应用仍需持续开发，同时强调相较于硅技术的发展历程，该领域进展迅速。

"硅技术已发展约80年，而二维材料研究相对近期，2010年前后才真正兴起，"Das说，"我们预计二维材料计算机的发展也将是渐进过程，但相比硅技术的发展轨迹，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与力学系研究生Yikai Zheng, Najam U. Sakib, Harikrishnan Ravichandran, Yongwen Sun, Andrew L. Pannone, Muhtasim Ul Karim Sadaf, Samriddha Ray；助理教授Yang Yang（同时隶属于材料研究所和核工程系）。印度理工学院Musaib Rafiq, Subham Sahay；贾达普大学Mrinmoy Goswami亦参与研究。2DCC-MIP主任、材料科学与工程及电气工程杰出教授Joan Redwing与助理研究教授Chen Chen共同署名。

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资助了此项工作。