首个基于二硫化钼二维材料的微处理器芯片诞生

据物理学组织网站2017年4月11日报道，二维材料虽然仅由一层或几层原子构成，但其用处非常大。石墨烯是最著名的二维材料。二硫化钼（由钼原子和硫原子构成的仅有3个原子直径厚度的层状材料）也属于二维材料的一种。但与石墨烯不同的是，二硫化钼具有半导体性质。维也纳工业大学（TU Wien）光子学研究所的托马斯·穆勒博士和他的研究团队认为，二维材料最有希望替代硅成为未来生产微处理器及其它集成电路所使用的材料。

微处理器是当今世界普遍存在且不可或缺的电子器件。若没有微处理器技术的发展，许多在今天看似理所当然的事物都将不复存在，如电脑、智能手机及互联网等。然而，一直被用来制造微处理器的硅材料正在逐渐接近其自身的物理极限。包括二硫化钼在内的二维材料，有望成为硅材料潜在的替代者。

虽然，自2004年石墨烯首次被成功分离至今，用二维材料制作单个晶体管的研究一直都在进行，但是对于制造具有更复杂结构电路的研究还未有实质性的进展。

近日，托马斯·穆勒和他的研究团队在这一研究领域获得了突破性的进展，制作出了全球首个基于二维材料的微处理器。该处理器芯片表面积仅为0.6平方毫米，集成有115个以二硫化钼作为沟道材料、钛/金作栅极、氧化铝为栅氧化层的晶体管，其数据寄存器及程序计数器总容量为1个比特，可执行外部存储器中的自定义程序、完成逻辑运算以及与外界进行通信。该处理器具有截至目前最为复杂的基于二维材料的电路结构，1个比特的数据存储设计也能很容易得到扩展。

研究团队的Stefan Wachter博士说：“虽然按照传统的硅基半导体工业标准此研究成果看上去并不是很突出，但在二维材料微处理器研究领域，该研究的成功仍然是一个非常重大的突破。因为我们实现了对这一概念的验证，并十分确定它会有进一步的发展。”然而，该研究项目得以成功的原因也不单单在材料选择上。“我们也仔细考虑过单个晶体管的尺寸问题。基本电路元器件中晶体管的几何尺寸是决定能否实现制造、级联更多复杂单元的关键因素。”穆勒解释道。

不言而喻，该技术若想得到实际应用，必须扩大其晶体管集成度，需要有成千上万甚至更多的晶体管来构成具有强大功能且复杂的电路。另外，再现性是需要克服的又一个挑战。毕竟，无论是二维材料的合成还是随后的处理过程都还处在一个相当初级的阶段。

穆勒指出：“由于我们在实验室是通过人工的形式制作电路的，如此复杂的电路设计几乎是无法实现的。因为，为了使处理器正常工作，要确保每一个晶体管都能按计划发挥相应的作用。”然而，研究人员确信，随着工业的进步，用不了几年，该技术就一定能在更多的领域得到应用。例如，由于二维材料具有突出的机械柔韧度，对于制造柔性电子产品来说比传统硅材料更具优势。（工业和信息化部电子第一研究所  李铁成）