全球首創！非矽基二維材料電腦誕生

半導體技術長期仰賴矽材料實現微型化突破，但製程微縮已面臨瓶頸，科學家轉向探索二維材料新出路。美國賓州州立大學研究團隊首度運用原子級厚度的二維材料，成功打造出能執行基礎運算的電腦原型。

這項突破性研究中的電腦結構示意圖，實際結合了Ghosh團隊製作的掃描電子顯微鏡影像。（圖片來源：Krishnendu Mukhopadhyay / 賓州州立大學）

賓州州立大學Saptarshi Das教授指出：「數十年來，矽電晶體透過場效應電晶體（FET）的持續微型化推動電子產業革新。但當元件尺寸縮小到極限時，矽材料的效能便開始劣化。」

「相較之下，二維材料即使僅有原子層厚度，仍能保持優異的電子特性，這為半導體發展開闢了新道路。」研究團隊採用二硫化鉬製作n型電晶體，二硒化鎢製作p型電晶體，兩種二維材料完美搭配構成互補式金氧半導體（CMOS）電腦的核心元件。

Das教授強調：「CMOS技術需要n型與p型半導體協同運作，才能在低功耗下實現高效能——這正是超越矽材料的關鍵挑戰。過去雖有小型二維材料電路展示，但建構完整功能電腦始終難以實現。」

團隊採用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術，成功生長出大面積二維材料薄膜，並製備出各超過1,000個的n型與p型電晶體。透過精確控制製程引數，研究人員調校出匹配的閾值電壓，最終組裝出全功能CMOS邏輯電路。

博士生Subir Ghosh說明：「這臺二維材料電腦能在低工作電壓下運作，能耗極低，最高可執行25千赫茲的基礎邏輯運算。雖然運算頻率仍低於傳統矽晶片，但作為單指令集電腦已展現實用價值。」

團隊更建立計算模型進行效能評估，結果顯示這項技術雖需進一步最佳化，但已為二維材料電子學樹立重要里程碑。相關研究成果已刊登於最新一期《自然》期刊。

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S. Ghosh等學者，2025年，《基於互補二維材料的單指令集電腦》，自然期刊642卷，327-335頁；DOI: 10.1038/s41586-025-08963-7