石墨烯與微處理器結合，比傳統矽材料好在（zài）哪？

石墨（mò）烯與微（wēi）處理器結合，比傳統矽材料好在哪？

微處理（lǐ）器，是當（dāng）代電子工業的核心器件。無論是智能（néng）手表、智能手機、智能家電等消費電子產（chǎn）品，還是超級計算機、汽車引擎控製（zhì）、數控機床、導彈精確製導等都高精尖技術產（chǎn）品，都離不開微處（chù）理器的作用。

微處（chù）理器，一般由一片或幾片大規模集成電路組成，能讀取和執行指令，與外界存儲器和邏輯部件交換數據（jù），是微型計算（suàn）機的核心運算控製部分。

如今，微處（chù）理器製造所用（yòng）的材料基本上（shàng）全是矽。而矽材料的（de）瓶頸如主要有以下兩方麵：一是（shì）性能瓶頸，現在矽材料的半導體芯（xīn）片，性能增速放緩，且接近物（wù）理極限。二是（shì）不具有柔性，矽材料無法應用於柔性電子領域。

二維材料是指電子僅可在（zài）兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平麵（miàn）運動）的材料，例如石墨烯、氮化硼、過（guò）渡族（zú）金屬化合（hé）物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等等。

二維材料，一般由一層或者幾層原子組（zǔ）成（chéng），我們之前重點關注的石墨烯就是一種著名的二維材料。除此以外，和石墨烯類（lèi）似（sì）的一些材料，例如過渡性（xìng）金屬雙硫屬化合（hé）物也屬於二維材料，它們不僅尺寸小、輕薄（báo）、柔軟，最重要是具有優秀（xiù）的半導體特性，十分適用於柔性電子設（shè）備。

維也納技術大（dà）學光子研究所的 Thomas Mueller 博士一直（zhí）致力於二維材料的研究，他認為（wéi）二維材（cái）料是未來製（zhì）造（zào）微處理器和其它集成電路的理想候選材料（liào）。而二硫化鉬（MoS2），由鉬原（yuán）子和硫（liú）原子組成，隻有三個原子的厚（hòu）度，就是（shì）這樣一種二維材料。

所以，他領導維（wéi）也納技術大學的科研團隊和歐盟石墨烯旗艦項目的科研人員合作，製造出了（le）一種由二維材料二硫化鉬MoS2組成的（de）晶體管（guǎn）。115個這樣的晶體管構成了一種新型微處理（lǐ）器。目前，這種微處理器能夠進行一比特的邏輯運（yùn）算，而未（wèi）來有望拓展至（zhì）多比特運（yùn）算。

MoS2的薄度意味著晶體管具有高響應性。 Mueller說：“原則上，為晶體管提供薄材料是有（yǒu）利的。材料越薄，晶體管通（tōng）道的靜（jìng）電控製越（yuè）好，功耗越小。

目前為止，MoS2微處理器是（shì）由二維材料製（zhì）成（chéng）的最先進的電路之一。運行簡單程序（xù）的測試表明，該微（wēi）處理（lǐ）器具有優秀的信號質量（liàng），和較（jiào）低的功耗，並且獲（huò）取正（zhèng）確的運算結果。

這種超薄的MoS2 晶（jīng）體管尺寸很小，而且具（jù）有柔性，有利（lì）於製造成柔（róu）性電子設備，例如可（kě）穿戴設備和智能硬（yìng）件等等，廣泛應用於物聯網領域。

對此，Thomas Mueller 博士認為（wéi）：“總體來說，成為一種柔材料將會帶來新型應用。其中一個可能是將這些處（chù）理器（qì）電路和由MoS2製成的光線發射器（qì）相結合，從而製造出柔性顯示設備和電子紙張，或者（zhě）將它們集成進智能傳感器的邏輯電路中。”

現代（dài）的（de）微處理器，一般由矽製成，它們在（zài）單顆芯片上具（jù）有幾百（bǎi）萬個晶體管，所以說這種由MoS2 製成的隻有115個晶（jīng）體管的設備，顯得十分簡單。但是，Mueller 博士研究小組中的（de）博士研究生 Stefan Wachter 認為：“盡管，這和目前基於矽的工業標準相比（bǐ）來說，顯得很遜色。但是（shì）它成為這個領域研究中的一項重要突破。現在我們已（yǐ）經有了概念（niàn）驗證，原則上，沒（méi）有理（lǐ）由看不到（dào）未來的進展。”

這（zhè）個（gè）芯片隻是展示了這項新（xīn）技術的早期成果，我們可（kě）以相（xiàng）信未來它會（huì）具有更大的成果。對於團（tuán）隊下一步的（de）計劃，Mueller 解釋（shì）說（shuō）：“我們的目標是實現更大的電路，可（kě）以利用有（yǒu）用的操作完成更多的（de）任務。我們想要在更（gèng）小尺寸的單個芯片上，完成完整的（de）八比特設計，或者更（gèng）多的比（bǐ）特。”但是由於（yú）設計和（hé）製造，這個目標將麵臨挑戰，所以Stefan Wachter 說：“增加更多的比特，當（dāng）然會使得每件（jiàn）事都會變得更加複雜。例如（rú），增加僅僅一個比特，就會將（jiāng）電路的複雜性增加兩倍。”

未來展望：
二維材料例如（rú）二硫化鉬，雖然有望成為矽的替代品。但是（shì），對於製造更（gèng）加複雜的電路來說，這些電路需要幾千甚至幾百萬個晶體管，暫時還無法依靠這項新技術。畢竟，生產二維材料以及進一步處（chù）理二維材料的（de）工藝，目前仍然處於初級階段。所以，目前它隻是一種對於矽半導體技術的補充（chōng）性（xìng）技術。

對（duì）此，Mueller博士解釋道：“我們的（de）電（diàn）路或多或少是在實（shí）驗室中用手（shǒu）工（gōng）做成（chéng）的，這樣複雜的（de）設計顯然超出了我們的能力範（fàn）圍。每個晶（jīng）體管必須按（àn）照計劃運行，以使（shǐ）得處理（lǐ）器能（néng）夠作為一個整體來工作。”另外，未來提高多級（jí）設計工（gōng）藝，將是開發 MoS2 微處理器的高產量生產方案（àn）的重要一步。因為在所有因（yīn）素中，傳輸大區域、雙層MoS2到（dào）晶圓上，會帶來很高的失敗（bài）率（lǜ）。所以，維也納技術大學的Dmitry Polyushkin 認為：“我們的方案在於將工藝提高到一（yī）個（gè）點，我們可以通過（guò）幾萬個晶體管，可（kě）靠地生產芯片。例如，直接在芯片上生長，這將會避免轉移過程。這樣（yàng）可以帶來更高的產量，讓我們可以生產更加複雜的電路。”

研（yán）究人員（yuán）認為，未來幾（jǐ）年，這項技術將（jiāng）會有各種各樣新的工業應用，柔性電子便（biàn）是一個例子，例如醫（yī）療傳感器和柔性顯示器。因為，二（èr）維材料相比於傳統（tǒng）的矽材料，具有更強的機械柔性。

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