世界第一台完全由原子薄 2D 材料制成CMOS 计算机发明

这张基于 2D 分子的计算机概念图显示了宾夕法尼亚州立大学研究人员的一个团队制造的计算机的实际扫描电子显微镜图像。键盘上标有二硫化钼和二硒化钨缩写的突出显示键，代表用于在计算机中开发晶体管的两种 2D 材料。图片来源：Krishnendu Mukhopadhyay/宾夕法尼亚州立大学，由 ScienceDaily.com 编辑

宾夕法尼亚州大学城 — 硅是支撑智能手机、计算机、电动汽车等产品的半导体技术中的王者，但宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个团队表示，硅的皇冠可能正在下滑。他们使用二维 （2D） 材料，与硅不同，这种材料只有一个原子厚，并且在该规模下保持其特性，这在世界上是首创，从而开发出能够进行简单作的计算机。

研究人员表示，今天（6 月 11 日）在《自然》杂志上发表的这一进展代表了朝着实现更薄、更快、更节能的电子产品迈出的重大飞跃。他们创造了一种互补的金属氧化物半导体 （CMOS） 计算机，该技术几乎是每个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 2D 材料来开发控制 CMOS 计算机中电流所需的两种类型的晶体管：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，硅通过实现场效应晶体管 （FET） 的持续小型化，推动了电子学的显着进步，”领导这项研究的宾夕法尼亚州立大学 Ackley 工程学教授兼工程科学与力学教授 Saptarshi Das 说。FET 使用电场控制电流，电场是在施加电压时产生的。“然而，随着硅器件的缩小，它们的性能开始下降。相比之下，二维材料在原子厚度下保持其卓越的电子特性，提供了一条充满希望的前进道路。

Das 解释说，CMOS 技术需要 n 型和 p 型半导体协同工作，以低功耗实现高性能——这是一个阻碍了超越硅的关键挑战。Das 说，尽管以前的研究表明基于 2D 材料的小型电路，但扩展到复杂、功能性计算机仍然难以捉摸。

“这是我们工作的关键进步，”Das 说。“我们首次展示了完全由 2D 材料制成的 CMOS 计算机，结合了大面积生长的二硫化钼和二硒化钨晶体管。”

该团队使用金属有机化学气相沉积 （MOCVD）（一种涉及蒸发成分、迫使化学反应并将产物沉积到基板上的制造工艺）来生长大片的二硫化钼和二硒化钨，并制造了 1,000 多个每种类型的晶体管。通过仔细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，从而构建功能齐全的 CMOS 逻辑电路。

“我们的 2D CMOS 计算机在低电源电压下运行，功耗极低，并且可以在高达 25 kHz 的频率下执行简单的逻辑运算，”第一作者 Subir Ghosh 说，他是在 Das 的指导下攻读工程科学和力学学位的博士生。

Ghosh 指出，与传统的硅 CMOS 电路相比，工作频率较低，但他们的计算机（称为单指令集计算机）仍然可以执行简单的逻辑作。

“我们还开发了一个计算模型，使用实验数据进行校准并结合设备之间的差异，以预测我们的 2D CMOS 计算机的性能，并将其与最先进的硅技术进行基准测试，”Ghosh 说。“尽管仍有进一步优化的余地，但这项工作标志着利用 2D 材料推动电子领域发展的一个重要里程碑。”

Das 对此表示赞同，他解释说，要进一步开发 2D CMOS 计算机方法以得到广泛使用，还需要做更多的工作，但也强调，与硅技术的发展相比，该领域正在迅速发展。

“硅技术已经发展了大约 80 年，但对 2D 材料的研究相对较新，直到 2010 年左右才真正出现，”Das 说。“我们预计 2D 材料计算机的开发也将是一个渐进的过程，但与硅的轨迹相比，这是一个飞跃。”

Ghosh 和 Das 认为宾夕法尼亚州立大学的 2D Crystal Consortium 材料创新平台 （2DCC-MIP） 提供了展示其方法所需的设施和工具。Das 还隶属于宾夕法尼亚州立大学的材料研究所、2DCC-MIP 以及电气工程系和材料科学与工程系。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的其他贡献者包括研究生 Yikai Zheng、Najam U. Sakib、Harikrishnan Ravichandran、Yongwen Sun、Andrew L. Pannone、Muhtasim Ul Karim Sadaf 和 Samriddha Ray;以及助理教授 Yang Yang。Yang 还隶属于宾夕法尼亚州立大学材料研究所和 Ken and Mary Alice Lindquist 核工程系。2DCC-MIP 主任、材料科学与工程和电气工程杰出教授 Joan Redwing 和助理研究教授 Chen Chen 也是该论文的合著者。其他贡献者包括印度理工学院的 Musaib Rafiq 和 Subham Sahay;以及贾达夫普尔大学的 Mrinmoy Goswami。

美国国家科学基金会 （U.S. National Science Foundation）、陆军研究办公室 （Army Research Office） 和海军研究办公室 （Office of Naval Research） 在一定程度上支持了这项工作。