在半導體科技的前沿探索中，硅材料長久以來占據著智能手機、計算機、電動汽車等電子設備核心部件的主導地位。然而，這一局面或許即將迎來改變。賓州州立大學的研究人員發布了一項突破性成果，挑戰了硅的霸主地位。
研究團隊首次利用二維材料（2D materials），即厚度僅為單個原子的新型材料，成功打造出能夠執行基本運算的計算機。這些二維材料在極小的尺度下仍能保持出色的物理特性，與硅相比具有明顯優勢。這一研究成果被發表在權威科學期刊《自然》上，預示著電子產品向更輕薄、更快速、更節能的方向邁出了關鍵一步。
在這項研究中，研究人員沒有依賴傳統的硅材料，而是采用了二硫化鉬和二硒化鎢這兩種不同的二維材料，分別用于制造互補金屬氧化物半導體（CMOS）計算機所需的n型晶體管和p型晶體管。這兩種晶體管共同協作，是CMOS計算機功能實現的關鍵。通過這一創新，研究團隊克服了超越硅技術的重大難題。
賓州州立大學工程學教授薩普塔爾希·達斯是該研究的負責人。他指出：“硅在電子技術發展的歷程中發揮了核心推動作用，推動了場效應晶體管的持續微型化。然而，隨著硅基設備尺寸的不斷縮小，其性能逐漸下降。相比之下，二維材料在原子尺度下仍能展現卓越的電子特性，為未來的技術發展開辟了一條極具潛力的道路。”
達斯進一步解釋說，CMOS技術需要n型和p型半導體協同工作，以實現高性能和低功耗。盡管之前已有研究嘗試利用二維材料制造小型電路，但將其擴展至功能完備的計算機一直是個難題。此次賓州州立大學的研究團隊成功解決了這一挑戰。
研究團隊利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術，成功制造出大面積的二硫化鉬和二硒化鎢薄膜，并進而制造出1000多個每種類型的晶體管。通過精心調整制造和后處理步驟，他們成功構建了功能完備的CMOS邏輯電路。這臺計算機能夠在低電壓下運行，功耗極低，并能以最高25千赫茲的頻率執行簡單邏輯運算。
盡管其運行頻率低于傳統的硅基CMOS電路，但作為一臺單指令集計算機，它仍能完成基本的邏輯運算任務。研究團隊還開發了一種計算模型，通過實驗數據進行校準，并考慮了設備間的差異，以預測二維CMOS計算機的性能，并與最先進的硅技術進行了對比。
達斯表示，盡管二維材料計算機的進一步發展仍需大量工作，但與硅技術的發展歷程相比，該領域的發展速度已經相當迅速。他指出，硅技術已經發展了約80年，而二維材料的研究自2010年左右才真正興起。
“我們預計，二維材料計算機的發展將是一個逐步推進的過程，但與硅技術的發展軌跡相比，這已經是一個巨大的進步。”達斯說。
這項研究得到了賓州州立大學二維晶體聯盟材料創新平臺（2DCC-MIP）的支持，該平臺為研究提供了必要的設施和資源。達斯還隸屬于賓州州立大學的材料研究所、二維晶體聯盟材料創新平臺以及電氣工程系和材料科學與工程系。
