原子级薄型技术在全球首台二维计算机中取代硅材料

今日（6月11日）发表于《自然》的研究成果，代表着实现更薄、更快、更高能效电子器件的重大飞跃。研究人员在不依赖硅材料的情况下，创建了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。他们采用两种不同的二维材料分别开发了控制CMOS计算机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。

“硅通过实现场效应晶体管（FET）的持续微型化，数十年来驱动了电子领域的显著进步，”研究负责人、宾夕法尼亚州立大学Ackley工程讲席教授、工程科学与力学系教授Saptarshi Das表示，“然而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能保持优异的电子特性，提供了前景广阔的发展路径。”

Das解释道，CMOS技术需要n型和p型半导体协同工作，以实现高性能和低功耗——这是阻碍硅材料替代方案的关键挑战。尽管先前研究已展示基于二维材料的小型电路，但扩展到复杂功能性计算机仍难以实现。

“这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——生长出大面积二硫化钼和二硒化钨薄层，并制备了逾1,000个每种类型的晶体管。通过精细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，构建出全功能的CMOS逻辑电路。

“我们的2D CMOS计算机在低电源电压下运行，功耗极微，能以高达25千赫兹的频率执行基础逻辑运算，”第一作者、Das指导的工程科学与力学博士生Subir Ghosh表示。

Ghosh指出，其运行频率低于传统硅基CMOS电路，但这台单指令集计算机仍可执行简单逻辑运算。

“我们还建立了基于实验数据校准的计算模型，纳入器件间差异因素，用于预测2D CMOS计算机性能并与先进硅技术进行基准测试，”Ghosh补充道，“尽管仍需进一步优化，但这项工作在利用二维材料推动电子学发展方面树立了重要里程碑。”

Das赞同此观点，指出需进一步开发2D 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。

“硅技术发展历时约80年，而二维材料研究相对较新，真正兴起于2010年左右，”Das解释，“我们预期2D材料计算机的发展也将是渐进过程，但这相比硅技术的演进轨迹已是巨大飞跃。”

Ghosh和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）提供的基础设施支持。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；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Ken and Mary Alice Lindquist核工程系。2DCC-MIP主任、材料科学与工程系及电气工程系杰出教授Joan Redwing与助理研究教授Chen Chen亦为论文合著者。其他贡献者包括印度理工学院Musaib Rafiq, Subham Sahay；以及贾达普大学Mrinmoy Goswami。

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这项工作。