Создан первый в мире компьютер из 2D-материалов: как открытие может улучшить технику

Разработка может привести к появлению более быстрых, тонких и эффективных устройств. Ученые раскрыли подробности в пресс-релизе, опубликованном на сайте EurekAlert.

КМОП-компьютер работает при низком электрическом напряжении с минимальным энергопотреблением и выполняет несложные задачи с частотой обновления до 25 КГц. Компьютер работает медленнее, чем обычные кремниевые КМОП-схемы, но он все равно может выполнять основные логические операции, используя всего один тип инструкций.

Руководитель исследования докторант Субир Гхош рассказал, что ученые разработали вычислительную модель, откалиброванную с использованием экспериментальных данных и учитывающую различия между устройствами, чтобы спрогнозировать производительность нашего 2D-компьютера и сравнить ее с самой современной кремниевой технологией.

"Хотя еще есть возможности для дальнейшей оптимизации, эта работа знаменует собой важную веху в использовании 2D-материалов для развития электроники, — подчеркнул он. — Мы ожидаем, что разработка двумерных материальных компьютеров также будет постепенным процессом, но это скачок вперед по сравнению с траекторией развития кремния".

В основе всех современных электронных устройств, включая смартфоны, планшеты, компьютеры и даже электромобили, лежит кремний, однако американские ученые обошлись без него. Для создания компьютера на основе КМОП (комплементарного металл-оксид-полупроводника), они сделали два типа транзисторов (n-типа и p-типа) из разных двумерных материалов: дисульфида молибдена и диселенида вольфрама.

Как объяснил профессор Саптарши Дас, по мере развития технологий кремний позволял людям делать все более миниатюрные полевые транзисторы. Эти компоненты управляют током, который возникает при подаче напряжения с помощью электрического поля.

"Однако по мере уменьшения размеров кремниевых устройств их производительность начинает ухудшаться. Двумерные материалы, напротив, сохраняют свои исключительные электронные свойства при атомной толщине, что открывает многообещающий путь вперед", — рассказал эксперт.

Технология КМОП требует, чтобы полупроводники n- и p-типа работали вместе для достижения высокой производительности при низком потреблении энергии. Эта особенность мешает заменить кремний на что-то другое. Двумерные материалы раньше уже эффективно применяли в небольших схемах, но при масштабировании их работоспособность падала.

"Мы впервые продемонстрировали компьютер CMOS, полностью построенный из 2D-материалов, сочетающий транзисторы на основе дисульфида молибдена и диселенида вольфрама, выращенные на большой площади", — заявил Саптарши Дас.

Команда использовала метод химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) — процесс изготовления, включающий испарение ингредиентов, инициирование химической реакции и осаждение продуктов на подложку — для выращивания больших листов дисульфида молибдена и диселенида вольфрама и изготовления более 1000 транзисторов каждого типа.

Им удалось отрегулировать пороговые напряжения обоих типов транзисторов, тщательно настроив этапы изготовления и постобработки устройства. Это позволило создать полностью функциональные логические схемы КМОП.