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世界首臺非硅二維材料計算機問世

半導體cmos

世界首臺非硅二維材料計算機問世

有助造出更薄更快更節能電子產品 。
硅在支撐智能手機、電腦、電動汽車等產品的半導體技術中一直占據著王者地位 ， 但美國賓夕法尼亞州立大學領導的一個研究團隊發現 ， “硅王”的統治地位可能正在受到挑戰 。
該團隊在最新一期《自然》雜志上發表了一項突破性成果：他們首次利用二維材料制造出一臺能夠執行簡單操作的計算機 。 這項研究標志著向造出更薄、更快、更節能的電子產品邁出了重要一步 。
此次開發的是一種互補金屬氧化物半導體（CMOS）計算機 。 與以往不同的是 ， 這次沒有使用硅 ， 取而代之的是兩種二維材料：用于n型晶體管的二硫化鉬和用于p型晶體管的二硒化鎢 。 這兩種材料的厚度只有一個原子 ， 在如此微小尺度下仍能保持優異的電子性能 ， 是硅所不具備的優勢 。
團隊采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術 ， 生長出大面積的二硫化鉬和二硒化鎢薄膜 ， 并分別制造出超過1000個n型和p型晶體管 。 通過精確調整制造工藝和后續處理步驟 ， 團隊成功調控了n型和p型晶體管的閾值電壓 ， 從而構建出功能完整的CMOS邏輯電路 。
【世界首臺非硅二維材料計算機問世】該二維CMOS計算機稱為“單指令集計算機” ， 可以在低電源電壓下運行 ， 功耗極低 ， 并能在高達25千赫的頻率下執行簡單的邏輯運算 。 雖然目前的工作頻率低于傳統硅基CMOS電路 ， 但該計算機依然能夠完成基本的計算任務 。 團隊還開發了一個計算模型 ， 使用實驗數據進行校準并結合設備之間的差異 ， 以預測二維CMOS計算機的性能 ， 并通過基準測試將其與最先進的硅技術進行了對比 。
團隊表示 ， 盡管還有進一步優化的空間 ， 但這已經是二維材料在電子領域應用中的一個重要里程碑 。 這項研究成果不僅為下一代電子設備提供了全新的材料選擇 ， 也為未來芯片設計開辟了新方向 。
據新華社 ， 二維材料是指電子僅能在兩個維度的納米尺度上自由運動的材料 ， 如石墨烯、二硫化鉬等 ， 它們與傳統三維材料（如金屬、塑料）在結構上有著本質的區別 。
面對摩爾定律逼近物理極限的全球性挑戰 ， 具有單個原子層厚度的二維半導體是目前國際公認的破局關鍵 ， 科學家們一直在探索如何將二維半導體材料應用于集成電路中 。
十多年來 ， 國際學術界與產業界已掌握晶圓級二維材料生長技術 ， 成功制造出擁有數百個原子長度、若干個原子厚度的高性能基礎器件 。 但是在復旦團隊取得新突破之前 ， 國際上最高的二維半導體數字電路集成度僅為115個晶體管 ， 由奧地利維也納工業大學團隊在2017年實現 。
據央視新聞此前消息 ， 中國科學院物理研究所科研團隊近期成功研制出厚度僅為頭發絲直徑的二十萬分之一的單原子層金屬 ， 這是國際上首次實現大面積二維金屬材料的制備 ， 開創了二維金屬研究新領域 。 這種材料未來可以為超微型低功耗晶體管、透明顯示等領域帶來技術革新 。 該科研成果于3月13日在國際學術期刊《自然》發表 。
在我們日常生活中 ， 人們見到的材料都是三維的 ， 也就是具有一定長度、寬度、高度 ， 但如果把一個維度抹平 ， 那就是二維材料 。 例如一本書就具有長寬高 ， 而二維材料就像是從這本書上單獨撕下來的一頁紙 ， 看上去只有長和寬 ， 厚度在我們肉眼看來幾乎為零 。 在科學界 ， 真實的二維材料就是厚度為單個原子或者少數幾個原子的材料 ， 一般厚度僅僅是一張A4紙的百萬分之一 。
如何把金屬材料也能做得這么薄呢？這在科學界極具挑戰性 。 中國科學院物理研究所張廣宇研究員帶領團隊發展了原子級制造的范德華擠壓技術 。 這種技術采用的壓砧是原子級平整、表面無懸掛鍵的材料 。 科研團隊通過將金屬熔化并利用團隊前期制備的高質量單層二硫化鉬范德華壓砧擠壓 ， 實現了原子極限厚度下鉍、錫、鉛等二維金屬的普適制備 。 二維金屬的實現超越了當前二維范德華層狀材料體系 ， 補充了二維材料家族的一大塊拼圖 。
這項研究成果有望開創二維金屬研究的新領域 ， 為超微型低功耗晶體管、高頻器件、透明顯示、超靈敏傳感探測、極致高效催化等眾多領域帶來技術革新 。
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