非硅二維材料計算機問世

硅是當前非常重要的半導體材料，全球有近百分之九十五的半導體芯片、器件是由單晶硅片作為基底功能材料生產出來。美國賓夕法尼亞州立大學領導的研究團隊日前發現，“硅王”的統治地位可能正在受到挑戰。該團隊稱，他們首次利用二維材料製造出一台能夠執行簡單操作的計算機。這項研究標誌着向造出更薄、更快、更節能的電子產品邁出了重要一步。

研究人員指出，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：用於n型電晶體的二硫化鉬和用於p型電晶體的二硒化鎢。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。

研究團隊採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，並分別製造出超過一千個n型和p型晶體管。二硫化鉬是輝鉬礦的主要成分，常溫下呈黑色固體粉末，具金屬光澤，觸之有滑膩感，有半導體和光電轉化性質，有反磁性；二硒化鎢是一種典型的低維度過渡金屬硫族化合物半導體材料，是一種層狀結構的無機化合物，具有良好的物理、化學和電學等性能，廣泛應用於儲能電池、潤滑、半導體、航空等領域中。

研究人員指出，通過精確調整製造工藝和後續處理步驟，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。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，並能在高達二十五千赫的頻率下執行簡單的邏輯運算。雖然目前的工作頻率低於傳統硅基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並結合設備之間的差異，以預測二維CMOS計算機的性能，並通過基準測試將其與最先進的硅技術進行了對比。

研究團隊表示，儘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。硅技術從上世紀四十年代發展至今，已有約八十年歷史，而二維材料真正引起廣泛關注是在二○一○年前後。幾十年來，硅通過不斷縮小場效應電晶體尺寸，推動了電子技術的巨大進步，但隨着器件尺寸越來越小，硅的性能開始下降。而二維材料即使在原子級厚度下也能保持出色的電子特性，這為未來的發展提供了新的希望。以上最新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闢了新方向。

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