全球首台不含硅的二维材料计算机诞生

在半导体技术的广阔领域中，硅材料一直占据着主导地位，从智能手机到计算机，再到电动汽车，硅的身影无处不在。然而，随着科技的飞速发展，硅基技术可能即将迎来一场革命性的变革。近日，宾夕法尼亚州立大学的一个研究团队成功打造出了全球首台不含硅的二维材料计算机，这一突破标志着电子学领域的一个重要里程碑。

这台计算机的独特之处在于，它完全摒弃了传统的硅材料，转而采用了二维材料来构建。这些二维材料在原子尺度上虽然比硅更厚（但宏观上更薄），但却能在规模化时保持其优异的性能。研究团队利用二硫化钼（MoS₂）和二硒化钨（WSe₂）这两种二维材料，分别制造出了n型和p型晶体管，进而构建出了这台互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机。

“几十年来，硅一直是电子学领域的基石，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。”宾夕法尼亚州立大学的阿克利工程教授萨普塔西·达斯（Saptarshi Das）表示。然而，随着硅器件尺寸的不断缩小，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，为电子学的未来发展提供了一条充满希望的道路。

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。然而，对于研究人员来说，用其他材料替代硅来构建CMOS计算机一直是一个巨大的挑战。在此之前，二维材料虽然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。”达斯教授说，“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。”为了实现这一目标，研究团队使用了金属有机化学气相沉积（MOCVD）这一先进的制造工艺，来生长大面积的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。

通过仔细调整器件制造和后处理步骤，研究团队成功调节了两种晶体管的阈值电压，使得构建功能完备的CMOS逻辑电路成为可能。这台二维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。虽然其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。

此外，研究团队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，以此来预测二维CMOS计算机的性能，并与最先进的硅技术进行基准测试。尽管仍有进一步优化的空间，但这项工作无疑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。

达斯教授也坦言，要使二维CMOS计算机得到广泛应用，还需要做更多的工作。毕竟，硅技术已经发展了大约80年，而对二维材料的研究相对较新。然而，他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，这无疑是一个飞跃。

此次成果的取得，得益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）提供的设施和工具。该研究已发表在《自然》杂志上，引起了业界的广泛关注。未来，随着二维材料研究的不断深入和技术的不断进步，我们有理由相信，二维材料计算机将成为电子学领域的一颗璀璨新星。