科学家打造出全球首台不含硅的二维材料计算机

新型二维CMOS计算机可在低电压下运行并进行逻辑运算，标志着超越硅基技术的重要一步。

硅材料在半导体技术领域占据着主导地位，广泛应用于智能手机、计算机、电动汽车等设备中。然而，在未来几年内，硅可能很快会失去其作为该技术最重要材料的地位。

宾夕法尼亚州立大学的一个研究团队利用二维材料制造出了一台能够进行简单运算的计算机。这些二维材料在原子尺度上比硅更厚（但宏观上更薄），并且能够在规模化时保持其性能。

这一进展代表了向使用更快、更薄、更高效材料的重大转变。

他们是如何制造这台计算机的？

研究人员在没有使用硅的情况下，制造出了一台互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机。他们使用了两种不同的二维材料来开发两种类型的晶体管：二硫化钼（MoS₂）用于制造n型晶体管，二硒化钨（WSe₂）用于制造p型晶体管。

“几十年来，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，”阿克利工程教授萨普塔西·达斯（Saptarshi Das）说道。

场效应晶体管（FET）利用电场，通过施加电压来控制电流的流动。

“然而，随着硅器件的尺寸不断缩小，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。”

解读CMOS技术

CMOS技术要求n型和p型半导体协同工作，以实现高性能和低功耗。这对于研究人员试图用其他材料替代硅来说是一个重大挑战。

在此之前，二维材料已被高效地用于小型电路，但将其扩展到复杂且功能完善的计算机仍然是一个遥远的梦想。

“这正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。”

使之成为可能的创新

该团队使用了金属有机化学气相沉积（MOCVD） —— 一种涉及汽化原料、引发化学反应并将产物沉积在基底上的制造工艺 —— 来生长大面积二硫化钼和二硒化钨薄片，并制造了每种类型各超过1000个晶体管。

他们能够通过仔细调整器件制造和后处理步骤，来调节两种晶体管的阈值电压。这使得构建功能完备的CMOS逻辑电路成为可能。

“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25千赫兹的频率执行简单的逻辑运算，”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）说。

戈什还指出，该计算机的运行速度比普通的硅基CMOS电路慢，但它仍然可以使用单一类型的指令执行基本的逻辑运算。

“我们还开发了一个计算模型，利用实验数据进行校准，并考虑了器件间的差异，以此来预测我们二维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。

“尽管仍有进一步优化的空间，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。”

达斯也解释说，要使二维CMOS计算机得到广泛应用，还需要做更多的工作。

“硅技术已经发展了大约80年，但对二维材料的研究相对较新，真正兴起大约是在2010年左右，”达斯表示。“我们预计二维材料计算机的发展也将是一个渐进的过程，但与硅的发展轨迹相比，这是一个飞跃。”

戈什和达斯将此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），该平台为他们提供了展示其方法所需的设施和工具。

该研究已发表在《自然》杂志上。

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