原子级薄技术接替硅片，世界首枚二维计算机问世

研究人员表示，这项今日（6月11日）发表于《自然》期刊的研究成果，标志着在实现更薄、更快、更节能电子产品方面取得了重大突破。他们创建了一种不依赖硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机——该技术是几乎所有现代电子设备的核心。相反，他们使用两种不同的二维材料来开发CMOS计算机中控制电流流动所需的两种类型晶体管：用于n型晶体管的二硫化钼和用于p型晶体管的二硒化钨。

“数十年来，硅通过实现场效应晶体管（FET）的持续微型化，推动了电子学的显著进步，”领导这项研究的宾夕法尼亚州立大学阿克雷工程教授、工程科学与力学教授萨普塔希·达斯（Saptarshi Das）说道。FET利用施加电压时产生的电场来控制电流。“然而，随着硅器件的缩小，其性能开始下降。相比之下，二维材料在原子厚度下仍能保持其优异的电子特性，为未来发展提供了一条充满希望的道路。”

达斯解释说，CMOS技术需要n型和p型半导体协同工作，才能在低功耗下实现高性能——这是阻碍超越硅材料努力的一个关键挑战。达斯表示，尽管先前的研究展示了基于二维材料的小型电路，但将其扩展到复杂、功能完备的计算机一直难以实现。

“这是我们工作的关键进展，”达斯说。“我们首次展示了一台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。”

该团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺——一种涉及汽化原料、引发化学反应并将产物沉积到基底上的制造工艺——来生长大面积的二硫化钼和二硒化钨片，并制造了各1000多个晶体管。通过精心调整器件制造和后处理步骤，他们能够调控n型和p型晶体管的阈值电压，从而构建出功能完备的CMOS逻辑电路。

“我们的二维CMOS计算机在低电源电压下运行且功耗极低，可在高达25千赫兹的频率下执行简单逻辑操作，”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。

戈什指出，与传统的硅基CMOS电路相比，其工作频率较低，但他们的计算机——被称为单指令集计算机——仍然能够执行简单的逻辑操作。

“我们还开发了一个计算模型，该模型使用实验数据进行了校准，并纳入了器件间的差异，以预测我们二维CMOS计算机的性能，并与最先进的硅技术进行基准测试，”戈什说。“尽管还存在进一步优化的空间，但这项工作标志着利用二维材料推动电子学领域发展的一个重要里程碑。”

达斯赞同这一观点，他解释说需要更多工作来进一步发展二维CMOS计算机方法以实现广泛应用，同时也强调该领域与硅技术的发展历程相比进展迅速。

“硅技术已发展了大约80年，但二维材料的研究相对较晚，真正兴起大约在2010年，”达斯说。“我们预计二维材料计算机的发展也将是一个渐进的过程，但相比硅的发展轨迹，这已是一个飞跃。”

戈什和达斯将他们的成果归功于宾夕法尼亚州立大学的二维晶体联盟材料创新平台（2DCC-MIP），该平台提供了展示其方法所需的设施和工具。达斯还隶属于宾夕法尼亚州立大学的材料研究所、2DCC-MIP以及电气工程系和材料科学与工程系。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的其他贡献者包括研究生郑一凯（Yikai Zheng）、纳杰姆·U·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·L·潘农（Andrew L. Pannone）、穆赫塔西姆·乌尔·卡里姆·萨达夫（Muhtasim Ul Karim Sadaf）和萨姆里达·雷（Samriddha Ray）；以及助理教授杨洋（Yang Yang）。杨洋还隶属于宾夕法尼亚州立大学材料研究所和肯与玛丽·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杰出教授琼·雷德温（Joan Redwing）和助理研究教授陈晨（Chen Chen）也是该论文的合著者。其他贡献者包括印度理工学院的穆萨伊布·拉菲克（Musaib Rafiq）和苏布哈姆·萨海（Subham Sahay）；以及贾达普大学的姆林莫伊·戈斯瓦米（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资助了这项工作。