在半導(dǎo)體科技的前沿探索中，硅材料長(zhǎng)久以來(lái)占據(jù)著智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)等電子設(shè)備核心部件的主導(dǎo)地位。然而，這一局面或許即將迎來(lái)改變。賓州州立大學(xué)的研究人員發(fā)布了一項(xiàng)突破性成果，挑戰(zhàn)了硅的霸主地位。
研究團(tuán)隊(duì)首次利用二維材料（2D materials），即厚度僅為單個(gè)原子的新型材料，成功打造出能夠執(zhí)行基本運(yùn)算的計(jì)算機(jī)。這些二維材料在極小的尺度下仍能保持出色的物理特性，與硅相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。這一研究成果被發(fā)表在權(quán)威科學(xué)期刊《自然》上，預(yù)示著電子產(chǎn)品向更輕薄、更快速、更節(jié)能的方向邁出了關(guān)鍵一步。
在這項(xiàng)研究中，研究人員沒(méi)有依賴(lài)傳統(tǒng)的硅材料，而是采用了二硫化鉬和二硒化鎢這兩種不同的二維材料，分別用于制造互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）計(jì)算機(jī)所需的n型晶體管和p型晶體管。這兩種晶體管共同協(xié)作，是CMOS計(jì)算機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。通過(guò)這一創(chuàng)新，研究團(tuán)隊(duì)克服了超越硅技術(shù)的重大難題。
賓州州立大學(xué)工程學(xué)教授薩普塔爾希·達(dá)斯是該研究的負(fù)責(zé)人。他指出：“硅在電子技術(shù)發(fā)展的歷程中發(fā)揮了核心推動(dòng)作用，推動(dòng)了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的持續(xù)微型化。然而，隨著硅基設(shè)備尺寸的不斷縮小，其性能逐漸下降。相比之下，二維材料在原子尺度下仍能展現(xiàn)卓越的電子特性，為未來(lái)的技術(shù)發(fā)展開(kāi)辟了一條極具潛力的道路。”
達(dá)斯進(jìn)一步解釋說(shuō)，CMOS技術(shù)需要n型和p型半導(dǎo)體協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)高性能和低功耗。盡管之前已有研究嘗試?yán)枚S材料制造小型電路，但將其擴(kuò)展至功能完備的計(jì)算機(jī)一直是個(gè)難題。此次賓州州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功解決了這一挑戰(zhàn)。
研究團(tuán)隊(duì)利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，成功制造出大面積的二硫化鉬和二硒化鎢薄膜，并進(jìn)而制造出1000多個(gè)每種類(lèi)型的晶體管。通過(guò)精心調(diào)整制造和后處理步驟，他們成功構(gòu)建了功能完備的CMOS邏輯電路。這臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠在低電壓下運(yùn)行，功耗極低，并能以最高25千赫茲的頻率執(zhí)行簡(jiǎn)單邏輯運(yùn)算。
盡管其運(yùn)行頻率低于傳統(tǒng)的硅基CMOS電路，但作為一臺(tái)單指令集計(jì)算機(jī)，它仍能完成基本的邏輯運(yùn)算任務(wù)。研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并考慮了設(shè)備間的差異，以預(yù)測(cè)二維CMOS計(jì)算機(jī)的性能，并與最先進(jìn)的硅技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。
達(dá)斯表示，盡管二維材料計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展仍需大量工作，但與硅技術(shù)的發(fā)展歷程相比，該領(lǐng)域的發(fā)展速度已經(jīng)相當(dāng)迅速。他指出，硅技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了約80年，而二維材料的研究自2010年左右才真正興起。
“我們預(yù)計(jì)，二維材料計(jì)算機(jī)的發(fā)展將是一個(gè)逐步推進(jìn)的過(guò)程，但與硅技術(shù)的發(fā)展軌跡相比，這已經(jīng)是一個(gè)巨大的進(jìn)步?！边_(dá)斯說(shuō)。
這項(xiàng)研究得到了賓州州立大學(xué)二維晶體聯(lián)盟材料創(chuàng)新平臺(tái)（2DCC-MIP）的支持，該平臺(tái)為研究提供了必要的設(shè)施和資源。達(dá)斯還隸屬于賓州州立大學(xué)的材料研究所、二維晶體聯(lián)盟材料創(chuàng)新平臺(tái)以及電氣工程系和材料科學(xué)與工程系。
