二维材料挑战硅霸主地位，世界首台非硅CMOS计算机诞生
在半导体科技的前沿探索中，硅材料长久以来占据着智能手机、计算机、电动汽车等电子设备核心部件的主导地位。然而，这一局面或许即将迎来改变。宾州州立大学的研究人员发布了一项突破性成果，挑战了硅的霸主地位。
研究团队首次利用二维材料（2D materials），即厚度仅为单个原子的新型材料，成功打造出能够执行基本运算的计算机。这些二维材料在极小的尺度下仍能保持出色的物理特性，与硅相比具有明显优势。这一研究成果被发表在权威科学期刊《自然》上，预示着电子产品向更轻薄、更快速、更节能的方向迈出了关键一步。
在这项研究中，研究人员没有依赖传统的硅材料，而是采用了二硫化钼和二硒化钨这两种不同的二维材料，分别用于制造互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机所需的n型晶体管和p型晶体管。这两种晶体管共同协作，是CMOS计算机功能实现的关键。通过这一创新，研究团队克服了超越硅技术的重大难题。
宾州州立大学工程学教授萨普塔尔希·达斯是该研究的负责人。他指出：“硅在电子技术发展的历程中发挥了核心推动作用，推动了场效应晶体管的持续微型化。然而，随着硅基设备尺寸的不断缩小，其性能逐渐下降。相比之下，二维材料在原子尺度下仍能展现卓越的电子特性，为未来的技术发展开辟了一条极具潜力的道路。”
达斯进一步解释说，CMOS技术需要n型和p型半导体协同工作，以实现高性能和低功耗。尽管之前已有研究尝试利用二维材料制造小型电路，但将其扩展至功能完备的计算机一直是个难题。此次宾州州立大学的研究团队成功解决了这一挑战。
研究团队利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，成功制造出大面积的二硫化钼和二硒化钨薄膜，并进而制造出1000多个每种类型的晶体管。通过精心调整制造和后处理步骤，他们成功构建了功能完备的CMOS逻辑电路。这台计算机能够在低电压下运行，功耗极低，并能以最高25千赫兹的频率执行简单逻辑运算。
尽管其运行频率低于传统的硅基CMOS电路，但作为一台单指令集计算机，它仍能完成基本的逻辑运算任务。研究团队还开发了一种计算模型，通过实验数据进行校准，并考虑了设备间的差异，以预测二维CMOS计算机的性能，并与最先进的硅技术进行了对比。
达斯表示，尽管二维材料计算机的进一步发展仍需大量工作，但与硅技术的发展历程相比，该领域的发展速度已经相当迅速。他指出，硅技术已经发展了约80年，而二维材料的研究自2010年左右才真正兴起。
“我们预计，二维材料计算机的发展将是一个逐步推进的过程，但与硅技术的发展轨迹相比，这已经是一个巨大的进步。”达斯说。
这项研究得到了宾州州立大学二维晶体联盟材料创新平台（2DCC-MIP）的支持，该平台为研究提供了必要的设施和资源。达斯还隶属于宾州州立大学的材料研究所、二维晶体联盟材料创新平台以及电气工程系和材料科学与工程系。
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