轻薄、节能……首台非硅二维材料计算机诞生

2025年6月11日，科技日报发文称，美国宾夕法尼亚州立大学领导的一个研究团队在最新一期《自然》杂志上发表了一项突破性成果：他们首次利用二维材料制造出一台能够执行简单操作的计算机。这是世界上首台非硅二维材料计算机，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。 研究背景硅在支撑智能手机、电脑、电动汽车等产品的半导体技术中一直占据着王者地位。从上世纪40年代发展至今，硅通过不断缩小场效应晶体管（FET）尺寸，推动了电子技术的巨大进步。但随着器件尺寸越来越小，硅的性能开始下降。而二维材料真正引起广泛关注是在2010年前后，其即使在原子级厚度下也能保持出色的电子特性，为未来的发展提供了新的希望。 关键技术材料选择：开发的是一种互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机，没有使用硅，取而代之的是两种二维材料，用于n型晶体管的二硫化钼和用于p型晶体管的二硒化钨。这两种材料的厚度只有一个原子，在微小尺度下仍能保持优异的电子性能，是硅所不具备的优势。晶体管制造与电路构建：团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，生长出大面积的二硫化钼和二硒化钨薄膜，并分别制造出超过1000个n型和p型晶体管。通过精确调整制造工艺和后续处理步骤，成功调控了n型和p型晶体管的阈值电压，从而构建出功能完整的CMOS逻辑电路。性能特点：该二维CMOS计算机称为“单指令集计算机”，可以在低电源电压下运行，功耗极低，并能在高达25千赫的频率下执行简单的逻辑运算。虽然目前的工作频率低于传统硅基CMOS电路，但该计算机依然能够完成基本的计算任务。性能预测：团队开发了一个计算模型，使用实验数据进行校准并结合设备之间的差异，以预测二维CMOS计算机的性能，并通过基准测试将其与最先进的硅技术进行了对比。 研究意义这项研究成果不仅为下一代电子设备提供了全新的材料选择，也为未来芯片设计开辟了新方向。尽管还有进一步优化的空间，但这已经是二维材料在电子领域应用中的一个重要里程碑。