美國賓夕法尼亞大學研究團隊成功開發出全球首個完全由二維材料製造的電腦，突破傳統矽半導體技術限制。這款電腦僅使用原子級厚度的材料，在該尺度下仍能維持卓越電子特性，為未來更薄、更快和更節能的電子裝置發展開闢新路徑。
研究團隊在最新一期《Nature》期刊發表成果，首次不依賴矽材料開發出相補型金屬氧化物半導體（CMOS）電腦。該技術是現代幾乎所有電子裝置的核心。研究人員使用二硫化鉬製造 n 型電晶體，二硒化鎢製造 p 型電晶體，成功控制 CMOS 電腦中的電流流動。
領導研究的賓夕法尼亞大學工程學 Ackley 教授 Saptarshi Das 表示：「矽材料通過場效應電晶體的持續小型化，推動電子學數十年來的顯著進步。然而，當矽裝置縮小時，其性能開始下降。相比之下，二維材料在原子厚度下仍保持優異電子特性，提供了有前景的發展方向。」
傳統場效應電晶體使用矽材料實現小型化，但矽製裝置變小時性能開始下降成為挑戰。為實現低功耗高性能，需要 n 型和 p 型半導體共同工作，但用矽以外材料實現這種操作困難重重。Das 解釋：「這是我們工作的關鍵進展。我們首次展示了完全由二維材料構建的 CMOS 電腦，結合大面積生長的二硫化鉬和二硒化鎢電晶體。」
研究團隊使用有機金屬化學氣相沉積法（MOCVD）生長二硫化鉬和二硒化鎢大型薄片，製造超過 1000 個各類型電晶體。通過仔細調整裝置製造和後處理步驟，成功調整兩種電晶體的閾值電壓，實現完全功能的 CMOS 邏輯電路構建。博士生 Subir Ghosh 表示：「我們的二維 CMOS 電腦在低供應電壓下運作，功耗極小，可在高達 25 kilohertz 頻率下執行簡單邏輯操作。」
雖然運作頻率比傳統矽 CMOS 電路低，但這台被稱為「單一指令集電腦」的裝置仍能執行簡單邏輯操作。研究團隊開發計算模型，使用實驗數據校準並納入裝置間差異，預測二維 CMOS 電腦性能並與最先進矽技術進行基準比較。Ghosh 指出：「雖然仍有進一步優化空間，但這項工作標誌著利用二維材料推進電子學領域的重要里程碑。」
Das 表示雖需更多工作來進一步發展二維 CMOS 電腦方法供廣泛使用，但與矽技術發展相比，該領域發展迅速。他指出：「矽技術已發展約 80 年，但二維材料研究相對較新，真正興起約在 2010 年。我們預期二維材料電腦發展也將是漸進過程，但相比矽的發展軌跡，這是一個飛躍。」
研究團隊感謝賓夕法尼亞大學二維晶體聯盟材料創新平台（2DCC-MIP）提供展示其方法所需的設施和工具。這項突破為未來電子裝置小型化和性能提升開啟新可能性。
來源：賓夕法尼亞大學
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