原子级厚度技术首次制造出二维计算机，替代硅基芯片

研究人员表示，这项今日（6月11日）发表于《自然》（Nature）杂志的研究成果，标志着向实现更薄、更快、更节能电子设备的重大飞跃。他们成功创建了不依赖硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机——该技术是现代电子设备的核心。他们创新性地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：二硫化钼用于n型晶体管，二硒化钨用于p型晶体管。

宾夕法尼亚州立大学阿克雷工程学讲座教授、工程科学与力学系教授萨普塔希·达斯（Saptarshi Das）领导了这项研究，他指出："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技术的非凡进步。"场效应晶体管通过施加电压产生的电场控制电流流动。"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，为未来发展提供了光明前景。"

达斯解释说，CMOS技术需要n型和p型半导体协同工作才能实现高性能与低功耗——这是阻碍硅基技术转型的关键挑战。尽管先前研究展示了基于二维材料的小型电路，但达斯强调，将其扩展为复杂的功能性计算机始终面临困难。

"这正是我们工作的核心突破，"达斯表示，"我们首次展示了完全由二维材料构建的CMOS计算机，它结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法（MOCVD）——这种制造工艺通过汽化原料、引发化学反应并将产物沉积到基底上——生长了大面积二硫化钼和二硒化钨薄片，并制造了各1000多个晶体管。通过精细调控器件制备和后处理工序，他们成功调整了n型和p型晶体管的阈值电压，从而构建出功能完整的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（Subir Ghosh）表示："我们的二维CMOS计算机在低电源电压下运行，功耗极低，能以高达25千赫兹的频率执行简单逻辑运算。"

戈什指出，虽然工作频率低于传统硅基CMOS电路，但这款名为"单指令集计算机"的设备仍能执行基础逻辑操作。

"我们还建立了计算模型，通过实验数据校准并纳入器件间差异，用以预测二维CMOS计算机性能并与尖端硅技术对标，"戈什补充道，"尽管存在进一步优化空间，但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，他指出二维CMOS计算机的广泛应用仍需更多研发工作，但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较新，真正兴起约在2010年，"达斯解释，"我们预期二维材料计算机的发展也将是渐进过程，但相比硅技术发展轨迹，这已是巨大飞跃。"

戈什与达斯特别感谢宾州州立大学二维晶体联盟材料创新平台（2DCC-MIP）为本研究提供的设施支持。达斯还隶属于该校材料研究院（Materials Research Institute）、2DCC-MIP以及电气工程系、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研究生郑逸凯（Yikai Zheng）、纳杰姆·萨基布（Najam U. Sakib）、哈里克里希南·拉维钱德兰（Harikrishnan Ravichandran）、孙永文（Yongwen Sun）、安德鲁·潘农（Andrew L. Pannone）、穆赫塔西姆·卡里姆（Muhtasim Ul Karim Sadaf）、萨姆里达·雷（Samriddha Ray）以及助理教授杨阳（Yang Yang）。杨阳同时任职于材料研究院和肯与玛丽·爱丽丝·林奎斯特核工程系。2DCC-MIP主任、材料科学与工程及电气工程特聘教授琼·雷德温（Joan Redwing）以及助理研究教授陈晨（Chen Chen）共同参与了论文撰写。其他合作者包括印度理工学院穆萨伊布·拉菲克（Musaib Rafiq）、萨布哈姆·萨海（Subham Sahay），以及贾达普大学姆林莫伊·戈斯瓦米（Mrinmoy Goswami）。

美国国家科学基金会、陆军研究处和海军研究办公室为本研究提供了部分支持。