世界首台！非硅二维材料计算机问世

每经编辑｜杜宇    

据科技日报，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，但美国宾夕法尼亚州立大学领导的一个研究团队发现，「硅王」 的统治地位可能正在受到挑战。该团队在最新一期 《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。这项研究标志着向造出更薄、更快、更节能的电子产品迈出了重要一步。

此次开发的是一种互补金属氧化物半导体 （CMOS） 计算机。与以往不同的是，这次没有使用硅，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，在如此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。

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，团队成功调控了 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。

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。团队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。

团队表示，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。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。

据新华社，二维材料是指电子仅能在两个维度的纳米尺度上自由运动的材料，如石墨烯、二硫化钼等，它们与传统三维材料 （如金属、塑料） 在结构上有着本质的区别。

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据央视新闻此前消息，中国科学院物理研究所科研团队近期成功研制出厚度仅为头发丝直径的二十万分之一的单原子层金属，这是国际上首次实现大面积二维金属材料的制备，开创了二维金属研究新领域。这种材料未来可以为超微型低功耗晶体管、透明显示等领域带来技术革新。该科研成果于北京时间 3 月 13 日在国际学术期刊 《自然》 发表。

在我们日常生活中，人们见到的材料都是三维的，也就是具有一定长度、宽度、高度，但如果把一个维度抹平，那就是二维材料。例如一本书就具有长宽高，而二维材料就像是从这本书上单独撕下来的一页纸，看上去只有长和宽，厚度在我们肉眼看来几乎为零。在科学界，真实的二维材料就是厚度为单个原子或者少数几个原子的材料，一般厚度仅仅是一张 A4 纸的百万分之一。

如何把金属材料也能做得这么薄呢？这在科学界极具挑战性。中国科学院物理研究所张广宇研究员带领团队发展了原子级制造的范德华挤压技术。这种技术采用的压砧是原子级平整、表面无悬挂键的材料。科研团队通过将金属熔化并利用团队前期制备的高质量单层二硫化钼范德华压砧挤压，实现了原子极限厚度下铋、锡、铅等二维金属的普适制备。二维金属的实现超越了当前二维范德华层状材料体系，补充了二维材料家族的一大块拼图。

这项研究成果有望开创二维金属研究的新领域，为超微型低功耗晶体管、高频器件、透明显示、超灵敏传感探测、极致高效催化等众多领域带来技术革新。

每日经济新闻综合新华社、央视新闻、科技日报

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