每經(jīng)編輯｜杜宇    

據(jù)科技日報，硅在支撐智能手機、電腦、電動汽車等產(chǎn)品的半導體技術(shù)中一直占據(jù)著王者地位，但美國賓夕法尼亞州立大學領(lǐng)導的一個研究團隊發(fā)現(xiàn)，“硅王”的統(tǒng)治地位可能正在受到挑戰(zhàn)。該團隊在最新一期《自然》雜志上發(fā)表了一項突破性成果：他們首次利用二維材料制造出一臺能夠執(zhí)行簡單操作的計算機。這項研究標志著向造出更薄、更快、更節(jié)能的電子產(chǎn)品邁出了重要一步。

此次開發(fā)的是一種互補金屬氧化物半導體（CMOS）計算機。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。

團隊采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，生長出大面積的二硫化鉬和二硒化鎢薄膜，并分別制造出超過1000個n型和p型晶體管。通過精確調(diào)整制造工藝和后續(xù)處理步驟，團隊成功調(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計算機稱為“單指令集計算機”，可以在低電源電壓下運行，功耗極低，并能在高達25千赫的頻率下執(zhí)行簡單的邏輯運算。雖然目前的工作頻率低于傳統(tǒng)硅基CMOS電路，但該計算機依然能夠完成基本的計算任務。團隊還開發(fā)了一個計算模型，使用實驗數(shù)據(jù)進行校準并結(jié)合設(shè)備之間的差異，以預測二維CMOS計算機的性能，并通過基準測試將其與最先進的硅技術(shù)進行了對比。

團隊表示，盡管還有進一步優(yōu)化的空間，但這已經(jīng)是二維材料在電子領(lǐng)域應用中的一個重要里程碑。這項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，也為未來芯片設(shè)計開辟了新方向。

據(jù)新華社，二維材料是指電子僅能在兩個維度的納米尺度上自由運動的材料，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。

圖片來源：視覺截圖

據(jù)央視新聞此前消息，中國科學院物理研究所科研團隊近期成功研制出厚度僅為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一的單原子層金屬，這是國際上首次實現(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。這種材料未來可以為超微型低功耗晶體管、透明顯示等領(lǐng)域帶來技術(shù)革新。該科研成果于北京時間3月13日在國際學術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

在我們?nèi)粘Ｉ钪?，人們見到的材料都是三維的，也就是具有一定長度、寬度、高度，但如果把一個維度抹平，那就是二維材料。例如一本書就具有長寬高，而二維材料就像是從這本書上單獨撕下來的一頁紙，看上去只有長和寬，厚度在我們?nèi)庋劭磥韼缀鯙榱?。在科學界，真實的二維材料就是厚度為單個原子或者少數(shù)幾個原子的材料，一般厚度僅僅是一張A4紙的百萬分之一。

如何把金屬材料也能做得這么薄呢？這在科學界極具挑戰(zhàn)性。中國科學院物理研究所張廣宇研究員帶領(lǐng)團隊發(fā)展了原子級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平整、表面無懸掛鍵的材料?？蒲袌F隊通過將金屬熔化并利用團隊前期制備的高質(zhì)量單層二硫化鉬范德華壓砧擠壓，實現(xiàn)了原子極限厚度下鉍、錫、鉛等二維金屬的普適制備。二維金屬的實現(xiàn)超越了當前二維范德華層狀材料體系，補充了二維材料家族的一大塊拼圖。

這項研究成果有望開創(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、極致高效催化等眾多領(lǐng)域帶來技術(shù)革新。

每日經(jīng)濟新聞綜合新華社、央視新聞、科技日報

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