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美國賓夕法尼亞州立大學研究團隊在最新一期《自然》雜志上發表了一項顛覆性成果：他們首次利用二維材料成功制造出一臺能夠執行簡單邏輯運算的計算機，標志著半導體技術正式邁入“原子級制造”時代。這一突破不僅挑戰了硅基芯片的統治地位，更有望為智能手機、人工智能、物聯網等領域的硬件革新提供全新路徑。 突破性技術：原子級厚度材料構建完整CMOS電路 研究團隊摒棄了傳統硅基材料，轉而采用兩種二維材料：二硫化鉬（MoS₂）用于制造n型晶體管，二硒化鎢（WSe₂）用于制造p型晶體管。這兩種材料的厚度僅為單個原子層，相當于一張A4紙的百萬分之一，卻能在如此微小尺度下保持優異的電子遷移率和開關比。 通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術，團隊生長出大面積的二硫化鉬和二硒化鎢薄膜，并制造出超過1000個n型和p型晶體管。通過精確調控晶體管的閾值電壓，他們成功構建出功能完整的互補金屬氧化物半導體（CMOS）邏輯電路。這臺“單指令集計算機”可在低至1伏特的電壓下運行，功耗比傳統硅基芯片降低90%，且能在25千赫茲頻率下執行基礎邏輯運算。盡管其工作頻率遠低于當前商用芯片，但研究團隊表示，這一成果已驗證了二維材料在芯片制造中的可行性。 技術優勢：更薄、更快、更節能 與傳統硅基芯片相比，二維材料計算機的核心優勢在于其原子級厚度帶來的物理特性突破： 超薄結構：二維材料的單原子層厚度使芯片體積大幅縮小，為可穿戴設備、柔性電子等場景提供可能； 低功耗：由于二維材料在納米尺度下仍能保持低漏電流，芯片能耗顯著降低，延長設備續航時間； 高集成度：二維材料的平面結構便于堆疊集成，有望突破傳統硅基芯片的物理極限，推動“后摩爾時代”技術發展。 研究團隊開發的計算模型預測，隨著材料生長和工藝優化，二維材料芯片的性能有望在未來五年內接近商用硅基芯片水平。 產業影響：重塑半導體供應鏈格局 這一突破引發了全球科技界的廣泛關注。長期以來，硅基芯片的制造高度依賴少數幾家企業，而二維材料的制備技術可能為新興市場提供彎道超車的機會。例如，中國科學院物理研究所此前已成功制備出單原子層金屬，為二維晶體管研發提供了關鍵材料支持。 行業分析師指出，若二維材料芯片實現量產，將顯著降低對高純度硅晶圓和極紫外光刻機的依賴，可能重塑全球半導體產業鏈。此外，二維材料在透明顯示、超靈敏傳感器、高效催化等領域的應用潛力，也將推動相關產業的協同創新。 未來展望：從實驗室到量產的挑戰 盡管成果顯著，但二維材料芯片的商業化仍面臨多重挑戰： 大規模制備技術：當前MOCVD技術成本較高，需開發更高效的晶體生長方法； 穩定性與可靠性：二維材料在高溫、高濕環境下的性能衰減問題尚未完全解決； 產業鏈配套：從材料、設備到封裝測試，需建立完整的二維芯片制造生態。 研究團隊負責人表示，他們計劃在未來三年內與半導體企業合作，推進二維材料芯片的中試生產。同時，團隊正探索將二維材料與三維集成技術結合，以進一步提升芯片性能。 結語 從1947年晶體管發明到如今二維材料計算機問世，半導體技術的演進始終遵循“更小、更快、更節能”的邏輯。賓夕法尼亞州立大學的這一突破，不僅為芯片設計開辟了新方向，更可能引發一場材料科學的革命。隨著全球科技競爭的加劇，二維材料芯片能否成為下一代信息技術的基石，值得持續關注。 |
