美国宾夕法尼亚大学研究团队成功开发出全球首个完全由二维材料制造的计算机，突破传统硅半导体技术限制。这款计算机仅使用原子级厚度的材料，在该尺度下仍能维持卓越电子特性，为未来更薄、更快和更节能的电子设备发展开辟新路径。
研究团队在最新一期《Nature》期刊发布成果，首次不依赖硅材料开发出相补型金属氧化物半导体（CMOS）计算机。该技术是现代几乎所有电子设备的核心。研究人员使用二硫化钼制造n型晶体管，二硒化钨制造p型晶体管，成功控制CMOS计算机中的电流流动。
领导研究的宾夕法尼亚大学工程学Ackley教授Saptarshi Das表示：“硅材料通过场效应晶体管的持续小型化，推动电子学数十年来的显著进步。然而，当硅设备缩小时，其性能开始下降。相比之下，二维材料在原子厚度下仍保持优异电子特性，提供了有前景的发展方向。”
传统场效应晶体管使用硅材料实现小型化，但硅制设备变小时性能开始下降成为挑战。为实现低功耗高性能，需要n型和p型半导体共同工作，但用硅以外材料实现这种操作困难重重。Das解释：“这是我们工作的关键进展。我们首次展示了完全由二维材料构建的CMOS计算机，结合大面积生长的二硫化钼和二硒化钨晶体管。”
研究团队使用有机金属化学气相沉积法（MOCVD）生长二硫化钼和二硒化钨大型薄片，制造超过1000个各类型晶体管。通过仔细调整设备制造和后处理步骤，成功调整两种晶体管的阈值电压，实现完全功能的CMOS逻辑电路构建。博士生Subir Ghosh表示：“我们的二维CMOS计算机在低供应电压下运行，功耗极小，可在高达25 kilohertz频率下执行简单逻辑操作。”
虽然运行频率比传统硅CMOS电路低，但这台被称为“单一举令集计算机”的设备仍能执行简单逻辑操作。研究团队开发计算模型，使用实验数据校准并纳入设备间差异，预测二维CMOS计算机性能并与最先进硅技术进行基准比较。Ghosh指出：“虽然仍有进一步优化空间，但这项工作标志着利用二维材料推进电子学领域的重要里程碑。”
Das表示虽需更多工作来进一步发展二维CMOS计算机方法供广泛使用，但与硅技术发展相比，该领域发展迅速。他指出：“硅技术已发展约80年，但二维材料研究相对较新，真正兴起约在2010年。我们预期二维材料计算机发展也将是渐进过程，但相比硅的发展轨迹，这是一个飞跃。”
研究团队感谢宾夕法尼亚大学二维晶体联盟材料创新平台（2DCC-MIP）提供展示其方法所需的设施和工具。这项突破为未来电子设备小型化和性能提升打开新可能性。
来源：宾夕法尼亚大学
