世界首臺(tái)！非硅二維材料計(jì)算機(jī)問世

每經(jīng)編輯｜杜宇    

據(jù)科技日?qǐng)?bào)，硅在支撐智能手機(jī)、電腦、電動(dòng)汽車等產(chǎn)品的半導(dǎo)體技術(shù)中一直占據(jù)著王者地位，但美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，“硅王”的統(tǒng)治地位可能正在受到挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性成果：他們首次利用二維材料制造出一臺(tái)能夠執(zhí)行簡(jiǎn)單操作的計(jì)算機(jī)。這項(xiàng)研究標(biāo)志著向造出更薄、更快、更節(jié)能的電子產(chǎn)品邁出了重要一步。

此次開發(fā)的是一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）計(jì)算機(jī)。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：用于n型晶體管的二硫化鉬和用于p型晶體管的二硒化鎢。這兩種材料的厚度只有一個(gè)原子，在如此微小尺度下仍能保持優(yōu)異的電子性能，是硅所不具備的優(yōu)勢(shì)。

團(tuán)隊(duì)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，生長(zhǎng)出大面積的二硫化鉬和二硒化鎢薄膜，并分別制造出超過(guò)1000個(gè)n型和p型晶體管。通過(guò)精確調(diào)整制造工藝和后續(xù)處理步驟，團(tuán)隊(duì)成功調(diào)控了n型和p型晶體管的閾值電壓，從而構(gòu)建出功能完整的CMOS邏輯電路。

該二維CMOS計(jì)算機(jī)稱為“單指令集計(jì)算機(jī)”，可以在低電源電壓下運(yùn)行，功耗極低，并能在高達(dá)25千赫的頻率下執(zhí)行簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算。雖然目前的工作頻率低于傳統(tǒng)硅基CMOS電路，但該計(jì)算機(jī)依然能夠完成基本的計(jì)算任務(wù)。團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一個(gè)計(jì)算模型，使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)并結(jié)合設(shè)備之間的差異，以預(yù)測(cè)二維CMOS計(jì)算機(jī)的性能，并通過(guò)基準(zhǔn)測(cè)試將其與最先進(jìn)的硅技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

團(tuán)隊(duì)表示，盡管還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，但這已經(jīng)是二維材料在電子領(lǐng)域應(yīng)用中的一個(gè)重要里程碑。這項(xiàng)研究成果不僅為下一代電子設(shè)備提供了全新的材料選擇，也為未來(lái)芯片設(shè)計(jì)開辟了新方向。

據(jù)新華社，二維材料是指電子僅能在兩個(gè)維度的納米尺度上自由運(yùn)動(dòng)的材料，如石墨烯、二硫化鉬等，它們與傳統(tǒng)三維材料（如金屬、塑料）在結(jié)構(gòu)上有著本質(zhì)的區(qū)別。

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據(jù)央視新聞此前消息，中國(guó)科學(xué)院物理研究所科研團(tuán)隊(duì)近期成功研制出厚度僅為頭發(fā)絲直徑的二十萬(wàn)分之一的單原子層金屬，這是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)大面積二維金屬材料的制備，開創(chuàng)了二維金屬研究新領(lǐng)域。這種材料未來(lái)可以為超微型低功耗晶體管、透明顯示等領(lǐng)域帶來(lái)技術(shù)革新。該科研成果于北京時(shí)間3月13日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

在我們?nèi)粘Ｉ钪校藗円姷降牟牧隙际侨S的，也就是具有一定長(zhǎng)度、寬度、高度，但如果把一個(gè)維度抹平，那就是二維材料。例如一本書就具有長(zhǎng)寬高，而二維材料就像是從這本書上單獨(dú)撕下來(lái)的一頁(yè)紙，看上去只有長(zhǎng)和寬，厚度在我們?nèi)庋劭磥?lái)幾乎為零。在科學(xué)界，真實(shí)的二維材料就是厚度為單個(gè)原子或者少數(shù)幾個(gè)原子的材料，一般厚度僅僅是一張A4紙的百萬(wàn)分之一。

如何把金屬材料也能做得這么薄呢？這在科學(xué)界極具挑戰(zhàn)性。中國(guó)科學(xué)院物理研究所張廣宇研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了原子級(jí)制造的范德華擠壓技術(shù)。這種技術(shù)采用的壓砧是原子級(jí)平整、表面無(wú)懸掛鍵的材料。科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)將金屬熔化并利用團(tuán)隊(duì)前期制備的高質(zhì)量單層二硫化鉬范德華壓砧擠壓，實(shí)現(xiàn)了原子極限厚度下鉍、錫、鉛等二維金屬的普適制備。二維金屬的實(shí)現(xiàn)超越了當(dāng)前二維范德華層狀材料體系，補(bǔ)充了二維材料家族的一大塊拼圖。

這項(xiàng)研究成果有望開創(chuàng)二維金屬研究的新領(lǐng)域，為超微型低功耗晶體管、高頻器件、透明顯示、超靈敏傳感探測(cè)、極致高效催化等眾多領(lǐng)域帶來(lái)技術(shù)革新。

每日經(jīng)濟(jì)新聞綜合新華社、央視新聞、科技日?qǐng)?bào)

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