宾州州立大学研究团队首创二维材料计算机，挑战硅的霸主地位

随着科技的进步，半导体技术作为现代电子产品的核心，极大地推动了智能手机、计算机和电动汽车等设备的发展。其中，硅一直以来被视为这一领域的基础材料，然而宾州州立大学（Penn State）的研究团队近期发布的一项突破性研究，则表明硅的统治地位可能正面临挑战。

在国际知名科学杂志《自然》上发表的这项研究，显示研究团队成功地利用二维材料（2D materials）制造出全球首个可以执行基本运算的计算机。二维材料的厚度仅有一个原子层，但在微小的尺度上却展现出优异的物理特性。这使得与传统的硅材料相比，二维材料在性能上有着显著的优势。此项成果标志着向更薄、更快、更节能的电子产品的开发迈出了重要的一步。

研究团队的核心成果是制造出一台互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机。在这一过程中，他们没有依赖传统的硅材料，而是选用了两种不同类型的二维材料：二硫化钼（molybdenum disulfide, MoS2）用于制造 n 型晶体管，二硒化钨（tungsten diselenide, WSe2）用于制造 p 型晶体管。两个类型的晶体管彼此协同工作，控制电流流动，从而实现计算机的基本功能。

宾州州立大学的工程学教授和研究负责人萨普塔尔希·达斯（Saptarshi Das）指出，硅在过去几十年里一直是电子技术创新的基石，因其推动了场效应晶体管（FETs）的持续微型化。随着硅基设备尺寸不断减小，其性能逐渐下降，这给技术的发展带来了瓶颈。相较之下，二维材料在原子厚度下依然能保持卓越的电子特性，为未来的技术进步提供了全新的可能性。

达斯教授进一步解释，CMOS技术依赖于n型和p型半导体的协同运作，以实现更高性能和更低的能耗，而这是超越硅技术的一大挑战。尽管之前已有研究利用二维材料制作小型电路，但要将其推广至功能完整的计算机系统长期以来未能实现。此次宾州州立大学团队的研究成功攻克了这一难题。

在研究中，团队使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，将所需原料气体化，随后通过化学反应将最终产品沉积至基底上，制造出大面积的二硫化钼和二硒化钨薄膜，并成功制造出超过1000个各类型的晶体管。研究团队精心调整生产和后处理步骤，以调节n型和p型晶体管的阈值电压，最终构建出功能完备的CMOS逻辑电路。

值得注意的是，这台利用二维材料制作的计算机能够在低电压下运行，功耗极低，并能以最高25千赫兹的频率执行简单的逻辑运算。尽管其运行频率低于传统硅基CMOS电路，但作为一台单指令集计算机，其也能够完成基本的逻辑运算。

研究团队还开发了一种新型计算模型，以实验数据为基准进行校准，并考虑设备之间的差异，以预测二维CMOS计算机的性能，同时与目前最领先的硅技术进行对比。尽管研究表明仍有进一步优化的可能性，这一成果是使用二维材料推动电子技术发展的重要里程碑。

达斯教授认为，虽然二维材料计算机的进一步发展还需要更多的工程和技术创新，但与硅技术发展的漫长历程相较，二维材料的研究进展速度相当快。从2010年左右研究启动至今，这个领域的发展似乎正处于快速上升期。他指出，经过80年的发展，硅技术的发展已经相对成熟，然而二维材料的研究则展示了令人振奋的前景与发展潜力。

未来的研究与开发将会围绕更高性能、更低能耗的二维材料计算机展开。达斯教授认为，二维材料计算机的发展将是一个渐进的过程，尽管许多技术瓶颈仍需克服，但这一领域的探索将推动整体电子技术朝着更高效和环保的方向迈进。

此项研究得到了宾州州立大学二维晶体联盟材料创新（2DCC-MIP）的支持，该为研究提供了必要的设施与工具。达斯教授同时也隶属于宾州州立大学的材料研究所、电气工程系以及材料科学与工程系，为研究提供了多角度的支持与合作。

在未来的日子里，我们能看到越来越多的基于二维材料的智能电子产品在市场上崭露头角，而这将彻底改变我们对电子设备的性能与能效的期待。