美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队近日宣布，他们成功开发了全球首台完全不含硅的计算机系统，采用原子级薄层材料制成。这一突破有望重塑电子设备行业，为更高效、更微型化的计算设备铺平道路。
长久以来，硅一直是智能手机、计算机、电动车等半导体技术的核心材料，但其主导地位正受到挑战。宾夕法尼亚州立大学的科学家们首次利用二维（2D）材料制造出可实现基本运算功能的计算机，彰显了电子材料创新的新方向。
研究团队在最新一期《自然》杂志上发表了成果。他们介绍说，首次实现了“不含硅”的互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机的制作。CMOS是当前几乎所有电子设备的核心技术，而此次却完全没有使用硅，而是采用了两种不同的二维材料：二硫化钼（MoS₂）和二硒化钨（WSe₂）。前者用于制作n型晶体管，后者则用于p型晶体管，通过两者的协同作用完成电流的调控。
项目负责人、工程学教授Saptarshi Das表示：“硅材料多年来推动了电子科技的不断微型化，但在纳米尺度下，硅器件开始出现性能衰减。而2D材料则可以在原子级厚度下保持优异的电子特性，极具发展潜力。”
Das补充说明，CMOS技术需要n型与p型晶体管协作，才能兼顾高性能与低功耗，这也是此前业界无法完全脱离硅材料的重要原因。虽然早前已有人用二维材料做出简单电路，但此次宾夕法尼亚团队实现了大规模晶体管集成，真正制造出可运行的一体化计算机。
据介绍，研究团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，分别制备了大面积的二硫化钼与二硒化钨薄膜。在此基础上集成了超千个n型和p型晶体管，通过微调制造及后处理工艺，成功调节了两种晶体管的阈值电压，实现了完整的CMOS逻辑电路。
团队成员、博士生Subir Ghosh指出，他们的2D CMOS计算机能以极低电压运行，实现简单的逻辑运算，工作频率最高可达25千赫兹。虽然速度远不及传统硅CMOS芯片，但已可以完成基础指令集的运算。
Ghosh还表示，他们建立了基于实验数据并结合器件差异的计算模型，用以预测2D计算机的性能，并与现有硅技术进行对标。虽然仍有进一步优化空间，但这项工作已在电子材料创新领域迈出了重要一步。
Das表示，未来二维CMOS计算机距离实际应用还有不少工作要做，但他强调，自2010年左右起，2D材料相关研究进展迅速。对比硅技术长达80年的发展历程，2D材料计算机的进步令人振奋。
该项目得到了美国国家科学基金会、陆军研究办公室及海军研究办公室等机构的部分资助。
编译自/ScitechDaily