硅是智能手機、計算機和電動車等半導體技術的核心材料。然而，根據最新研究，這一材料可能在未來幾年內失去其重要性。賓州州立大學的研究團隊利用 2D 材料製造出一款能夠執行簡單操作的電腦。這些 2D 材料比硅更厚，並能在擴展時保持其性能。
這一進展標誌著向更快速、更薄且更高效材料的轉變。
研究人員如何創建這款電腦？
研究團隊成功地製造出一款不含硅的互補 CMOS 電腦。他們使用了兩種不同的 2D 材料來開發兩種類型的晶體管：鉬二硫化物用於 n 型晶體管，鈦酸鹽用於 p 型晶體管。
賽普塔爾希·達斯（Saptarshi Das），工程學的阿克利教授表示：「硅在電子學的發展中推動了顯著的進步，使場效應晶體管（FET）的持續小型化成為可能。然而，隨著硅設備的縮小，其性能開始下降。相比之下，二維材料在原子厚度下保持其卓越的電子性能，提供了一條有希望的前進道路。」
解碼 CMOS 技術
CMOS 技術需要 n 型和 p 型半導體共同工作，以實現高性能和低功耗，這對於希望用其他材料取代硅的研究人員來說是一大挑戰。在此之前，2D 材料已在小型電路中高效使用，但擴展到複雜和功能性電腦仍然是一個遙遠的夢想。
達斯表示：「這是我們工作的關鍵進展。我們首次展示了一款完全由 2D 材料組成的 CMOS 電腦，結合了大面積生長的鉬二硫化物和鈦酸鹽晶體管。」
使其成為可能的創新
研究團隊使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術，這是一種通過氣化原料、促使化學反應並將產品沉積到基板上的製造過程，來生長鉬二硫化物和鈦酸鹽的大片材料，並製造了超過 1,000 個晶體管。他們通過精確調整設備製造和後處理步驟，能夠調整兩種晶體管的閾值電壓，從而構建出完全功能的 CMOS 邏輯電路。
首席作者、攻讀工程科學與力學博士學位的蘇比爾·戈什（Subir Ghosh）表示：「我們的 2D CMOS 電腦在低供電電壓下運行，功耗極低，可以在高達 25 千赫的頻率下執行簡單的邏輯操作。」他還指出，該電腦的運行速度低於正常的硅 CMOS 電路，但仍能使用單一指令執行基本邏輯操作。
戈什補充道：「我們還開發了一個計算模型，根據實驗數據進行校準，並考慮到設備之間的變化，以預測我們的 2D CMOS 電腦的性能並與最先進的硅技術進行基準比較。」
儘管仍有進一步優化的空間，但這項工作在利用 2D 材料推進電子學領域方面具有重要意義。達斯表示，仍需進一步開發 2D CMOS 電腦以便廣泛使用。「硅技術已發展了約 80 年，但對 2D 材料的研究相對較新，真正興起於 2010 年左右。我們預計 2D 材料電腦的發展也將是一個逐步的過程，但這相較於硅的發展路徑是一個重要的進步。」
戈什和達斯感謝賓州州立大學的 2D 晶體聯盟材料創新平台（2DCC-MIP）提供的設施和工具，使他們能夠展示這一方法。該研究已發表在《自然》期刊上。
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