宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的研究小组表示，硅在支撑智能手机、电脑、电动汽车等产品的半导体技术中占据着主导地位，但其王位可能正在下滑。

他们首次利用二维 (2D) 材料(这种材料只有一个原子厚，但与硅不同，它能够在这种尺度上保留其特性)开发出能够进行简单操作的计算机。

研究人员表示，这一成果发表在《自然》杂志上，代表着朝着实现更薄、更快、更节能的电子产品迈出了一大步。

他们创造了一种互补金属氧化物半导体 (CMOS) 计算机——几乎所有现代电子设备的核心技术——而无需依赖硅。

相反，他们使用两种不同的二维材料来开发控制 CMOS 计算机中电流流动所需的两种类型的晶体管：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。

宾夕法尼亚州立大学阿克利工程学教授、工程科学与力学教授、该项研究的负责人萨普塔什·达斯 (Saptarshi Das) 表示：“几十年来，硅材料通过不断实现场效应晶体管 (FET) 的微型化，推动了电子技术的显著进步。” FET 利用施加电压时产生的电场来控制电流。

然而，随着硅器件的缩小，其性能开始下降。相比之下，二维材料在原子厚度下仍能保持其优异的电子特性，为未来的发展提供了一条充满希望的道路。

Das解释说，CMOS技术需要n型和p型半导体协同工作才能在低功耗下实现高性能——这是阻碍超越硅的关键挑战。Das表示，尽管之前的研究已经展示了基于二维材料的小型电路，但将其扩展到复杂的功能性计算机仍然难以实现。

“这是我们工作的关键进展，”达斯说。“我们首次展示了完全由二维材料构建的CMOS计算机，结合了大面积生长的二硫化钼和二硒化钨晶体管。”

该团队使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)——一种涉及蒸发成分、强制化学反应并将产物沉积到基底上的制造工艺——来生长大片二硫化钼和二硒化钨，并制造每种类型的晶体管超过 1,000 个。

通过仔细调整器件制造和后处理步骤，他们能够调整 n 型和 p 型晶体管的阈值电压，从而构建功能齐全的 CMOS 逻辑电路。

“我们的 2D CMOS 计算机在低电源电压下运行，功耗极低，并且可以在高达 25 千赫的频率下执行简单的逻辑运算，”第一作者 Subir Ghosh 说道，他是 Das 指导下攻读工程科学和力学学位的博士生。

Ghosh 指出，与传统的硅 CMOS 电路相比，其工作频率较低，但他们的计算机(称为单指令集计算机)仍可以执行简单的逻辑运算。

Ghosh 表示： “我们还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，以预测我们的 2D CMOS 计算机的性能并与最先进的硅技术进行对比。”

“尽管仍有进一步优化的空间，但这项工作标志着利用二维材料推动电子领域发展的一个重要里程碑。”

Das 表示同意，并解释说，还需要开展更多工作来进一步开发 2D CMOS 计算机方法以供广泛使用，但他也强调，与硅技术的发展相比，该领域发展迅速。

达斯表示：“硅技术已经发展了大约 80 年，但对二维材料的研究相对较新，直到 2010 年左右才真正兴起。”

“我们预计二维材料计算机的发展也将是一个渐进的过程，但与硅的发展轨迹相比，这是一个飞跃。”

Ghosh 和 Das 高度赞扬宾夕法尼亚州立大学的 2D 晶体联盟材料创新平台 (2DCC-MIP) 提供了展示其方法所需的设施和工具。

Das 还隶属于宾夕法尼亚州立大学材料研究所、2DCC-MIP 以及电气工程系和材料科学与工程系。

更多信息： Saptarshi Das，基于互补二维材料的单指令集计算机，《自然》(2025)。期刊信息： 《自然》