盖世汽车讯 硅在支撑智能手机、电脑、电动汽车等产品的半导体技术中占据着王者地位，但由宾夕法尼亚州立大学（Penn State）研究人员领导的研究小组表示，硅的王位可能正在下滑。据外媒报道，该研究小组首次利用二维（2D）材料（这种材料厚度仅为一个原子，但与硅不同，其特性在这种尺度下仍能保持），开发出能够进行简单操作的计算机。

图片来源： 期刊《Nature》

研究人员表示，这项发表在期刊《Nature》上的进展代表着朝着实现更薄、更快、更节能的电子产品迈出了一大步。

研究人员创造了一种互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机——这项技术是几乎所有现代电子设备的核心——而无需依赖硅。

相反，他们使用两种不同的二维材料来开发控制CMOS计算机中电流流动所需的两种晶体管：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。

“几十年来，硅材料通过不断实现场效应晶体管（FET）的微型化，推动了电子技术的显著进步，”宾夕法尼亚州立大学阿克利工程学（Ackley Professor）教授兼工程科学与力学教授、这项研究的负责人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，这为未来的发展提供了一条充满希望的道路。”

Das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——这是阻碍超越硅技术的关键挑战。Das表示，尽管之前的研究已经展示了基于二维材料的小型电路，但将其扩展到复杂、功能齐全的计算机仍然遥不可及。

“这是我们工作的关键进展，”Das表示。“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）技术（一种包括蒸发成分、引发化学反应并将产物沉积到基底上的制造工艺），生长出大片二硫化钼和二硒化钨，并制造了每种类型的晶体管超过1000个。

通过精心调整器件制造和后处理步骤，他们能够调整n型和p型晶体管的阈值电压，从而构建出功能齐全的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，并且能够在高达25千赫兹的频率下执行简单的逻辑运算，”论文第一作者、达斯指导的工程科学与力学博士生Subir Ghosh说道。

Ghosh指出，与传统的硅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）仍然可以执行简单的逻辑运算。

“我们还开发了一个计算模型，该模型使用实验数据进行校准，并考虑了不同器件之间的差异，以预测我们的二维CMOS计算机的性能，并与最先进的硅技术进行对比，”Ghosh说道。“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领域发展的重要里程碑。”

Das对此表示赞同，并解释说，要进一步开发二维CMOS计算机方法并使其得到广泛应用，还需要做更多的工作，但他也强调，与硅技术的发展相比，该领域的发展速度很快。Das表示：“硅技术的发展已有大约80年的历史，但二维材料的研究相对较新，大约在2010年才真正兴起。”

“我们预计二维材料计算机的开发也将是一个循序渐进的过程，但与硅的发展轨迹相比，这已经是一次飞跃了。”

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