石墨烯與微處理器結合，比傳統硅材料好在哪？

石墨烯與微處理器結合，比傳統硅材料好在哪？

微處理器，是當代電子工業的核心器件。無論是智能手表、智能手機、智能家電等消費電子產品，還是超級計算機、汽車引擎控制、數控機床、導彈精確制導等都高精尖技術產品，都離不開微處理器的作用。

微處理器，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，是微型計算機的核心運算控制部分。

如今，微處理器制造所用的材料基本上全是硅。而硅材料的瓶頸如主要有以下兩方面：一是性能瓶頸，現在硅材料的半導體芯片，性能增速放緩，且接近物理極限。二是不具有柔性，硅材料無法應用于柔性電子領域。

二維材料是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，例如石墨烯、氮化硼、過渡族金屬化合物（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成，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，和石墨烯類似的一些材料，例如過渡性金屬雙硫屬化合物也屬于二維材料，它們不僅尺寸小、輕薄、柔軟，最重要是具有優秀的半導體特性，十分適用于柔性電子設備。

維也納技術大學光子研究所的 Thomas Mueller 博士一直致力于二維材料的研究，他認為二維材料是未來制造微處理器和其它集成電路的理想候選材料。而二硫化鉬（MoS2），由鉬原子和硫原子組成，只有三個原子的厚度，就是這樣一種二維材料。

所以，他領導維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，制造出了一種由二維材料二硫化鉬MoS2組成的晶體管。115個這樣的晶體管構成了一種新型微處理器。目前，這種微處理器能夠進行一比特的邏輯運算，而未來有望拓展至多比特運算。

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利的。材料越薄，晶體管通道的靜電控制越好，功耗越小。

目前為止，MoS2微處理器是由二維材料制成的最先進的電路之一。運行簡單程序的測試表明，該微處理器具有優秀的信號質量，和較低的功耗，并且獲取正確的運算結果。

這種超薄的MoS2 晶體管尺寸很小，而且具有柔性，有利于制造成柔性電子設備，例如可穿戴設備和智能硬件等等，廣泛應用于物聯網領域。

對此，Thomas Mueller 博士認為：“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理器電路和由MoS2制成的光線發射器相結合，從而制造出柔性顯示設備和電子紙張，或者將它們集成進智能傳感器的邏輯電路中。”

現代的微處理器，一般由硅制成，它們在單顆芯片上具有幾百萬個晶體管，所以說這種由MoS2 制成的只有115個晶體管的設備，顯得十分簡單。但是，Mueller 博士研究小組中的博士研究生 Stefan Wachter 認為：“盡管，這和目前基于硅的工業標準相比來說，顯得很遜色。但是它成為這個領域研究中的一項重要突破。現在我們已經有了概念驗證，原則上，沒有理由看不到未來的進展。”

這個芯片只是展示了這項新技術的早期成果，我們可以相信未來它會具有更大的成果。對于團隊下一步的計劃，Mueller 解釋說：“我們的目標是實現更大的電路，可以利用有用的操作完成更多的任務。我們想要在更小尺寸的單個芯片上，完成完整的八比特設計，或者更多的比特。”但是由于設計和制造，這個目標將面臨挑戰，所以Stefan Wachter 說：“增加更多的比特，當然會使得每件事都會變得更加復雜。例如，增加僅僅一個比特，就會將電路的復雜性增加兩倍。”

未來展望：
二維材料例如二硫化鉬，雖然有望成為硅的替代品。但是，對于制造更加復雜的電路來說，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理二維材料的工藝，目前仍然處于初級階段。所以，目前它只是一種對于硅半導體技術的補充性技術。

對此，Mueller博士解釋道：“我們的電路或多或少是在實驗室中用手工做成的，這樣復雜的設計顯然超出了我們的能力范圍。每個晶體管必須按照計劃運行，以使得處理器能夠作為一個整體來工作。”另外，未來提高多級設計工藝，將是開發 MoS2 微處理器的高產量生產方案的重要一步。因為在所有因素中，傳輸大區域、雙層MoS2到晶圓上，會帶來很高的失敗率。所以，維也納技術大學的Dmitry Polyushkin 認為：“我們的方案在于將工藝提高到一個點，我們可以通過幾萬個晶體管，可靠地生產芯片。例如，直接在芯片上生長，這將會避免轉移過程。這樣可以帶來更高的產量，讓我們可以生產更加復雜的電路。”

研究人員認為，未來幾年，這項技術將會有各種各樣新的工業應用，柔性電子便是一個例子，例如醫療傳感器和柔性顯示器。因為，二維材料相比于傳統的硅材料，具有更強的機械柔性。

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