在半导体领域,硅材料长期以来主导着智能手机、计算机和电动汽车等产品的制造。然而美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队近期突破性利用二维材料(2D材料)——仅有原子厚度且能保持优异电子特性——成功开发出全球首台能执行简单运算的二维计算机。
这项成果最近发表于《自然》(Nature)期刊,标志着更轻薄、高效电子设备的重要进展。
传统互补金属氧化物半导体(CMOS)技术依赖硅材料,而该团队采用二硫化钼(n型晶体管)和二硒化钨(p型晶体管)两种二维材料,构建出完整的CMOS计算机。二维材料在原子级厚度下仍能维持优异性能,避免了硅材料在微型化过程中的性能退化问题。
研究团队通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺制备了超过1000个晶体管,并通过精确调控制造流程,成功优化了晶体管的阈值电压,使计算机能在低电压下运行,功耗极低,最高运算频率达25千赫。尽管目前性能仍落后于传统硅基芯片,但这项研究证明了二维材料在计算领域的可行性。团队还建立了计算模型,将二维计算机与先进硅技术进行对比,结果显示其具备优化潜力。
二维材料研究虽起步较晚(2010年左右),但发展迅速。相比历经80年发展的硅技术,这项突破预示着未来电子器件可能迈向更轻薄、高效的新时代。