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石墨烯旗艦重要成果：采用二維材料制備出超薄柔性微處理器！

2017-04-14 09:50:18 作者：本網(wǎng)整理來源：烯碳資訊分享至：

    近日消息，維也納技術(shù)大學(xué)的科研團(tuán)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組成的晶體管構(gòu)成的新型微處理器。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。

    背景

    微處理器：

    微處理器，是當(dāng)代電子工業(yè)的核心器件。無論是智能手表、智能手機(jī)、智能家電等消費(fèi)電子產(chǎn)品，還是超級計算機(jī)、汽車引擎控制、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，與外界存儲器和邏輯部件交換數(shù)據(jù)，是微型計算機(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維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動（平面運(yùn)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(guān)注的石墨烯就是一種著名的二維材料。除此以外，和石墨烯類似的一些材料，例如過渡性金屬雙硫?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。

    成果

    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(lǐng)導(dǎo)維也納技術(shù)大學(xué)的科研團(tuán)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(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：“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)行簡單程序的測試表明，該微處理器具有優(yōu)秀的信號質(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。

    對此，Thomas Mueller 博士認(rèn)為：”總體來說，成為一種柔材料將會帶來新型應(yīng)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(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。“

    意義

    現(xiàn)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(shè)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(rèn)為：”盡管，這和目前基于硅的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比來說，顯得很遜色。但是它成為這個領(lǐng)域研究中的一項重要突破。現(xiàn)在我們已經(jīng)有了概念驗證，原則上，沒有理由看不到未來的進(jìn)展。“

    這個芯片只是展示了這項新技術(shù)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(tuán)隊下一步的計劃，Mueller 解釋說：”我們的目標(biāo)是實現(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芯片上，完成完整的八比特設(shè)計，或者更多的比特。“但是由于設(shè)計和制造，這個目標(biāo)將面臨挑戰(zhàn)，所以Stefan Wachter 說：”增加更多的比特，當(dāng)然會使得每件事都會變得更加復(fù)雜。例如，增加僅僅一個比特，就會將電路的復(fù)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(fù)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(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，目前仍然處于初級階段。所以，目前它只是一種對于硅半導(dǎo)體技術(shù)的補(bǔ)充性技術(shù)。

    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(fù)雜的設(shè)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(yùn)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(shè)計工藝，將是開發(fā) MoS2 微處理器的高產(chǎn)量生產(chǎn)方案的重要一步。因為在所有因素中，傳輸大區(qū)域、雙層MoS2到晶圓上，會帶來很高的失敗率。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點，我們可以通過幾萬個晶體管，可靠地生產(chǎn)芯片。例如，直接在芯片上生長，這將會避免轉(zhuǎn)移過程。這樣可以帶來更高的產(chǎn)量，讓我們可以生產(chǎn)更加復(fù)雜的電路。“

    研究人員認(rèn)為，未來幾年，這項技術(shù)將會有各種各樣新的工業(yè)應(yīng)用，柔性電子便是一個例子，例如醫(yī)療傳感器和柔性顯示器。因為，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。