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世界首臺非硅二維材料計算機問世 有助造出更薄更快更節能電子產品

 2025-06-12 16:31:34          

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       硅在支撐智能手機、電腦、電動汽車等產品的半導體技術中一直占據著王者地位,但美國賓夕法尼亞州立大學領導的一個研究團隊發現,“硅王”的統治地位可能正在受到挑戰。該團隊在最新一期《自然》雜志上發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、更節能的電子產品邁出了重要一步。

此次開發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異的電子性能,是硅所不具備的優勢。

團隊采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術,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。通過精確調整制造工藝和后續處理步驟,團隊成功調控了n型和p型晶體管的閾值電壓,從而構建出功能完整的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25千赫的頻率下執行簡單的邏輯運算。雖然目前的工作頻率低于傳統硅基CMOS電路,但該計算機依然能夠完成基本的計算任務。團隊還開發了一個計算模型,使用實驗數據進行校準并結合設備之間的差異,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進行了對比。

團隊表示,盡管還有進一步優化的空間,但這已經是二維材料在電子領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備提供了全新的材料選擇,也為未來芯片設計開辟了新方向。

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