世界首台非硅二维材料计算机面世

硅在支撑智能手机、电脑、电动汽车等产品的半导体技术中一直占据着王者地位，但美国宾夕法尼亚州立大学领导的一个研究团队发现，“硅王”的统治地位可能正在受到挑战。该团队在最新一期《自然》杂志上发表了一项突破性成果：他们首次利用二维材料制造出一台能够执行简单操作的计算机。这项研究标志着向造出更薄、更快、更节能的电子产品迈出了重要一步。

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这幅基于二维分子的计算机概念图，展示了新制造的计算机的实际扫描电子显微镜图像。键盘上的按键高亮标注了二硫化钼和二硒化钨的缩写，代表了用于开发计算机晶体管的两种二维材料。

此次开发的是一种互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机。与以往不同的是，这次没有使用硅，取而代之的是两种二维材料：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。这两种材料的厚度只有一个原子，在如此微小尺度下仍能保持优异的电子性能，是硅所不具备的优势。

团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，生长出大面积的二硫化钼和二硒化钨薄膜，并分别制造出超过1000个n型和p型晶体管。通过精确调整制造工艺和后续处理步骤，团队成功调控了n型和p型晶体管的阈值电压，从而构建出功能完整的CMOS逻辑电路。

该二维CMOS计算机称为“单指令集计算机”，可以在低电源电压下运行，功耗极低，并能在高达25千赫的频率下执行简单的逻辑运算。虽然目前的工作频率低于传统硅基CMOS电路，但该计算机依然能够完成基本的计算任务。团队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，以预测二维CMOS计算机的性能，并通过基准测试将其与最先进的硅技术进行了对比。

团队表示，尽管还有进一步优化的空间，但这已经是二维材料在电子领域应用中的一个重要里程碑。这项研究成果不仅为下一代电子设备提供了全新的材料选择，也为未来芯片设计开辟了新方向。