石墨烯與微處理器結(jié)合，比傳統(tǒng)硅材料好在哪？
石墨烯與微處理器結(jié)合，比傳統(tǒng)硅材料好在哪？
微處理器，是當(dāng)代電子工業(yè)的核心器件。無(wú)論是智能手表、智能手機(jī)、智能家電等消費(fèi)電子產(chǎn)品，還是超級(jí)計(jì)算機(jī)、汽車(chē)引擎控制、數(shù)控機(jī)床、導(dǎo)彈精確制導(dǎo)等都高精尖技術(shù)產(chǎn)品，都離不開(kāi)微處理器的作用。
微處理器，一般由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成，能讀取和執(zhí)行指令，與外界存儲(chǔ)器和邏輯部件交換數(shù)據(jù)，是微型計(jì)算機(jī)的核心運(yùn)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(xiàn)在硅材料的半導(dǎo)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(wú)法應(yīng)用于柔性電子領(lǐng)域。
二維材料是指電子僅可在兩個(gè)維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動(dòng)（平面運(yùn)動(dòng)）的材料，例如石墨烯、氮化硼、過(guò)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(diǎn)關(guān)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)似的一些材料，例如過(guò)渡性金屬雙硫?qū)倩衔镆矊儆诙S材料，它們不僅尺寸小、輕薄、柔軟，最重要是具有優(yōu)秀的半導(dǎo)體特性，十分適用于柔性電子設(shè)備。
維也納技術(shù)大學(xué)光子研究所的 Thomas Mueller 博士一直致力于二維材料的研究，他認(rèn)為二維材料是未來(lái)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(gè)原子的厚度，就是這樣一種二維材料。
所以，他領(lǐng)導(dǎo)維也納技術(shù)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)和歐盟石墨烯旗艦項(xiàng)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(gè)這樣的晶體管構(gòu)成了一種新型微處理器。目前，這種微處理器能夠進(jìn)行一比特的邏輯運(yùn)算，而未來(lái)有望拓展至多比特運(yùn)算。
MoS2的薄度意味著晶體管具有高響應(yīng)性。 Mueller說(shuō)：“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(jìn)的電路之一。運(yùn)行簡(jiǎn)單程序的測(cè)試表明，該微處理器具有優(yōu)秀的信號(hào)質(zhì)量，和較低的功耗，并且獲取正確的運(yùn)算結(jié)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(shè)備，例如可穿戴設(shè)備和智能硬件等等，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。
對(duì)此，Thomas Mueller 博士認(rèn)為：“總體來(lái)說(shuō)，成為一種柔材料將會(huì)帶來(lái)新型應(yīng)用。其中一個(gè)可能是將這些處理器電路和由MoS2制成的光線(xiàn)發(fā)射器相結(jié)合，從而制造出柔性顯示設(shè)備和電子紙張，或者將它們集成進(jìn)智能傳感器的邏輯電路中?！?br>
現(xiàn)代的微處理器，一般由硅制成，它們?cè)趩晤w芯片上具有幾百萬(wàn)個(gè)晶體管，所以說(shuō)這種由MoS2 制成的只有115個(gè)晶體管的設(shè)備，顯得十分簡(jiǎn)單。但是，Mueller 博士研究小組中的博士研究生 Stefan Wachter 認(rèn)為：“盡管，這和目前基于硅的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比來(lái)說(shuō)，顯得很遜色。但是它成為這個(gè)領(lǐng)域研究中的一項(xiàng)重要突破?，F(xiàn)在我們已經(jīng)有了概念驗(yàn)證，原則上，沒(méi)有理由看不到未來(lái)的進(jìn)展?！?br>
這個(gè)芯片只是展示了這項(xiàng)新技術(shù)的早期成果，我們可以相信未來(lái)它會(huì)具有更大的成果。對(duì)于團(tuán)隊(duì)下一步的計(jì)劃，Mueller 解釋說(shuō)：“我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更大的電路，可以利用有用的操作完成更多的任務(wù)。我們想要在更小尺寸的單個(gè)芯片上，完成完整的八比特設(shè)計(jì)，或者更多的比特?！钡怯捎谠O(shè)計(jì)和制造，這個(gè)目標(biāo)將面臨挑戰(zhàn)，所以Stefan Wachter 說(shuō)：“增加更多的比特，當(dāng)然會(huì)使得每件事都會(huì)變得更加復(fù)雜。例如，增加僅僅一個(gè)比特，就會(huì)將電路的復(fù)雜性增加兩倍?！?br>
未來(lái)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(duì)于制造更加復(fù)雜的電路來(lái)說(shuō)，這些電路需要幾千甚至幾百萬(wàn)個(gè)晶體管，暫時(shí)還無(wú)法依靠這項(xiàng)新技術(shù)。畢竟，生產(chǎn)二維材料以及進(jìn)一步處理二維材料的工藝，目前仍然處于初級(jí)階段。所以，目前它只是一種對(duì)于硅半導(dǎo)體技術(shù)的補(bǔ)充性技術(shù)。
對(duì)此，Mueller博士解釋道：“我們的電路或多或少是在實(shí)驗(yàn)室中用手工做成的，這樣復(fù)雜的設(shè)計(jì)顯然超出了我們的能力范圍。每個(gè)晶體管必須按照計(jì)劃運(yùn)行，以使得處理器能夠作為一個(gè)整體來(lái)工作?！绷硗?，未來(lái)提高多級(jí)設(shè)計(jì)工藝，將是開(kāi)發(fā) MoS2 微處理器的高產(chǎn)量生產(chǎn)方案的重要一步。因?yàn)樵谒幸蛩刂?，傳輸大區(qū)域、雙層MoS2到晶圓上，會(huì)帶來(lái)很高的失敗率。所以，維也納技術(shù)大學(xué)的Dmitry Polyushkin 認(rèn)為：“我們的方案在于將工藝提高到一個(gè)點(diǎn)，我們可以通過(guò)幾萬(wàn)個(gè)晶體管，可靠地生產(chǎn)芯片。例如，直接在芯片上生長(zhǎng)，這將會(huì)避免轉(zhuǎn)移過(guò)程。這樣可以帶來(lái)更高的產(chǎn)量，讓我們可以生產(chǎn)更加復(fù)雜的電路?！?br>
研究人員認(rèn)為，未來(lái)幾年，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)有各種各樣新的工業(yè)應(yīng)用，柔性電子便是一個(gè)例子，例如醫(yī)療傳感器和柔性顯示器。因?yàn)?，二維材料相比于傳統(tǒng)的硅材料，具有更強(qiáng)的機(jī)械柔性。
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