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IT之家 6 月 12 日消息，在半导体技术领域，硅一直是智能手机、计算机、电动汽车等众多现代电子设备的核心材料。然而，一项由宾州州立大学（Penn State）研究人员主导的最新研究显示，硅的“霸主地位”可能正受到挑战。

该研究团队世界首次利用二维材料（2D materials）开发出了一台能够执行简单运算的计算机。这些二维材料仅有一个原子的厚度，且在如此微小的尺度下仍能保持其优异的物理特性，与硅相比具有显著优势。这一成果发表在《自然》杂志上，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。

研究人员成功制造了一台互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机，这一过程并未依赖传统的硅材料。他们选用了两种不同的二维材料来分别制造 CMOS 计算机所需的两种晶体管：二硫化钼（molybdenum disulfide）用于制造 n 型晶体管，二硒化钨（tungsten diselenide）用于制造 p 型晶体管。这两种晶体管共同控制电流流动，是实现 CMOS 计算机功能的关键。

“数十年来，硅一直是电子技术发展的核心驱动力，它推动了场效应晶体管（FETs）的持续微型化。”该研究的负责人、宾州州立大学工程学教授萨普塔尔希・达斯（Saptarshi Das）表示，“然而，随着硅基设备尺寸的不断缩小，其性能开始下降。相比之下，二维材料在原子厚度下仍能保持出色的电子特性，为未来的发展提供了一条充满希望的道路。”

达斯进一步解释说，CMOS 技术需要 n 型和 p 型半导体协同工作，以实现高性能和低功耗，这一直是超越硅技术的关键难题。尽管此前已有研究利用二维材料制造出小型电路，但将其扩展到复杂且功能完备的计算机一直未能实现。而此次宾州州立大学的研究团队成功攻克了这一难题。

“这是我们工作的关键突破。”达斯表示，“我们首次完全使用二维材料制造出了一台 CMOS 计算机，将大面积生长的二硫化钼和二硒化钨晶体管相结合。”

据IT之家了解，研究团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，通过将原料气化并引发化学反应，将产物沉积在基底上，制造出大面积的二硫化钼和二硒化钨薄膜，并成功制造出 1000 多个每种类型的晶体管。通过精心调整设备制造和后处理步骤，他们能够调整 n 型和 p 型晶体管的阈值电压，从而构建出功能完备的 CMOS 逻辑电路。

该计算机能够在低电压下运行，功耗极低，并且能够以最高 25 千赫兹的频率执行简单逻辑运算。尽管其运行频率低于传统的硅基 CMOS 电路，但作为一台单指令集计算机，起仍能完成简单的逻辑运算。

此外，研究团队还开发了一种计算模型，通过实验数据进行校准，并考虑了设备之间的差异，以预测二维 CMOS 计算机的性能，并与最先进的硅技术进行对比。尽管仍有进一步优化的空间，但这一成果无疑是利用二维材料推动电子技术发展的重要里程碑。

达斯表示，尽管二维材料计算机的进一步发展仍需更多工作，但与硅技术的发展历程相比，该领域的发展速度已经相当迅速。他指出，硅技术已经发展了约 80 年，而二维材料的研究自 2010 年左右才真正兴起。

“我们预计，二维材料计算机的发展将是一个循序渐进的过程，但与硅技术的发展轨迹相比，这已经是一个巨大的飞跃。”达斯说。

该研究得到了宾州州立大学二维晶体联盟材料创新平台（2DCC-MIP）的支持，该平台为研究提供了必要的设施和工具。达斯还隶属于宾州州立大学的材料研究所、二维晶体联盟材料创新平台以及电气工程系和材料科学与工程系。