全球首台二维计算机采用原子级厚度材料替代硅基芯片技术

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。研究团队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。

“硅通过场效应晶体管（FET）的持续微型化驱动了电子领域数十年的显著进步，”Saptarshi Das表示，他作为宾夕法尼亚州立大学Ackley工程讲席教授、工程科学与力学教授领导了本研究。FET通过施加电压产生的电场控制电流。“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保持卓越电子特性，提供了前景广阔的发展路径。”

Das解释称，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——这是超越硅材料的关键挑战。尽管先前研究展示了基于二维材料的小型电路，但扩展到复杂的功能性计算机仍是难题。

“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）技术——通过汽化原料、引发化学反应并将产物沉积在基底上的工艺——生长大面积二硫化钼和二硒化钨薄膜，并制造了各超过1,000个的两种晶体管。通过精细调控器件制备和后处理步骤，他们成功调节了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。

“我们的二维CMOS计算机在低电源电压下运行，功耗极低，并能以高达25千赫的频率执行基础逻辑运算，”第一作者Subir Ghosh表示，他是在Das指导下攻读工程科学与力学博士学位的博士生。

Ghosh指出，该工作频率低于传统硅CMOS电路，但其单指令集计算机仍能执行简单逻辑操作。

“我们还开发了计算模型，利用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，并与最先进硅技术进行基准测试，”Ghosh补充道，“尽管存在进一步优化空间，这项工作标志着利用二维材料推动电子学领域的重大里程碑。”

Das对此表示认同，并强调二维材料计算机的发展需持续完善，但相比硅技术的发展历程，该领域进展迅速。

“硅技术发展约80年，而二维材料研究相对较新，2010年左右才真正兴起，”Das解释道，“我们预计二维材料计算机的发展也将是渐进过程，但相比硅的发展轨迹，这已是巨大飞跃。”

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）提供的设施和工具支持。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和Samriddha Ray；助理教授Yang Yang。Yang同时隶属于宾夕法尼亚州立大学材料研究所和核工程系。2DCC-MIP主任、材料科学与工程及电气工程杰出教授Joan Redwing，以及助理研究教授Chen Chen也参与了论文撰写。其他贡献者包括：印度理工学院Musaib Rafiq和Subham Sahay；贾达普普大学Mrinmoy Goswami。

本研究部分获得了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支持。