科技日報記者 張夢然
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。
總編輯圈點
硅技術從上世紀40年代發展至今，已有約80年歷史，而二維材料真正引起廣泛關注是在2010年前后。幾十年來，硅通過不斷縮小場效應晶體管（FET）尺寸，推動了電子技術的巨大進步，但隨著器件尺寸越來越小，硅的性能開始下降。而二維材料即使在原子級厚度下也能保持出色的電子特性，這為未來的發展提供了新的希望。很顯然，將本文這項技術推向廣泛應用還需更多研究，但與硅技術漫長的發展歷程相比，二維材料計算機的發展速度遠超硅技術早期階段，正在出現飛躍式的進步。
