中国新式科技世界首台非硅二维材料计算机问世有助造出更薄更快更节能电子产品

用户投稿 2025年09月02日 16:04:02 4 0

世界首台非硅二维材料计算机问世有助造出更薄更快更节能电子产品

科技日报记者张梦然

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。

这幅基于二维分子的计算机概念图，展示了新制造的计算机的实际扫描电子显微镜图像。键盘上的按键高亮标注了二硫化钼和二硒化钨的缩写，代表了用于开发计算机晶体管的两种二维材料。图片来源：美国宾夕法尼亚州立大学

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。

总编辑圈点

硅技术从上世纪40年代发展至今，已有约80年历史，而二维材料真正引起广泛关注是在2010年前后。几十年来，硅通过不断缩小场效应晶体管（FET）尺寸，推动了电子技术的巨大进步，但随着器件尺寸越来越小，硅的性能开始下降。而二维材料即使在原子级厚度下也能保持出色的电子特性，这为未来的发展提供了新的希望。很显然，将本文这项技术推向广泛应用还需更多研究，但与硅技术漫长的发展历程相比，二维材料计算机的发展速度远超硅技术早期阶段，正在出现飞跃式的进步。

新型超高效柔性发电薄膜材料及发电器件研发成功

科技日报记者陆成宽

记者9日从中国科学院电工研究所获悉，来自该所等单位的科研人员，在智能可穿戴设备的柔性发电技术领域取得突破性进展，成功研发出一种超高效的新型柔性发电薄膜材料。这种材料通过特殊结构设计，其功率密度创造了硒化银基柔性热电器件所有已报道同类材料的最高值。相关研究成果在线发表于《自然·通讯》杂志。

柔性可穿戴发电器件应用展示

目前，像智能手表、手环这类智能可穿戴设备发展很快，但它们大多靠电池供电。电池需要经常更换或充电，限制了这类设备的普及。热电技术可以直接将人体热量转化为电能，具有安全环保、无须机械部件等优势，是解决可穿戴设备供电问题的理想方案。然而，现有柔性热电材料的性能较差，且发电器件多为平面结构，导致器件在应用过程中发出的电太少，无法满足电子设备正常运转的需求。

“在这项最新的研究中，我们利用化学溶液法，把碲化银做成细小的纳米线，然后和石墨烯混合，铺在一种多孔的尼龙底布上，再经过抽滤和快速热压处理，最终做成了这种超高性能的柔性‘发电薄膜’材料。”论文共同通讯作者、中国科学院电工所研究员丁发柱说。

值得一提的是，他们用这种薄膜做成了立体的“小拱桥”形状的发电装置，里面有100对发电单元。这个拱桥结构设计能更好地利用人体和环境的温差。这一微型“体温发电机”的发电能力创了同类器件的世界纪录，产生的电量足够驱动电子手表、温湿度计等小设备运转。

丁发柱表示，这项研究将热电转换技术成功应用于柔性发电器件，为智能可穿戴设备提供了一种高效、可持续的供电方案，对热电转换技术的规模化应用具有重要的现实意义。

（中国科学院电工所供图）