美國賓州州立大學的研究團隊近日宣布，他們成功開發了全球首台完全不含矽的電腦系統，採用原子級薄層材料製成。這項突破有望重塑電子設備產業，為更有效率、更微型化的運算設備鋪路。

長久以來，矽一直是智慧型手機、電腦、電動車等半導體技術的核心材料，但其主導地位正受到挑戰。賓州州立大學的科學家首次利用二維（2D）材料製造出可實現基本運算功能的計算機，彰顯了電子材料創新的新方向。

研究團隊在最新一期《自然》雜誌上發表了成果。他們介紹說，首次實現了「不含矽」的互補金屬氧化物半導體（CMOS）電腦的製作。 CMOS是目前幾乎所有電子設備的核心技術，而此次卻完全沒有使用矽，而是採用了兩種不同的二維材料：二硫化鉬（MoS₂）和二硒化鎢（WSe₂）。前者用於製作n型電晶體，後者則用於p型電晶體，透過兩者的協同作用完成電流的調控。

專案負責人、工程學教授Saptarshi Das表示：“矽材料多年來推動了電子科技的不斷微型化，但在奈米尺度下，矽元件開始出現性能衰減。而2D材料可以在原子級厚度下保持優異的電子特性，極具發展潛力。”

Das補充說明，CMOS技術需要n型與p型電晶體協作，才能兼顧高效能與低功耗，這也是為什麼先前業界無法完全脫離矽材料的重要原因。雖然早前已有人用二維材料做出簡單電路，但此次賓夕法尼亞團隊實現了大規模晶體管集成，真正製造出可運行的一體化計算機。

據介紹，研究團隊採用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術，分別製備了大面積的二硫化鉬與二硒化鎢薄膜。在此基礎上整合了超千個n型和p型電晶體，透過微調製造及後處理工藝，成功調節了兩種電晶體的閾值電壓，實現了完整的CMOS邏輯電路。

團隊成員Subir Ghosh指出，他們的2D CMOS 計算機能以極低電壓運行，實現簡單的邏輯運算，工作頻率最高可達25千赫茲。雖然速度遠不及傳統矽CMOS晶片，但已可以完成基礎指令集的運算。

Ghosh也表示，他們建立了基於實驗數據並結合裝置差異的計算模型，以預測2D電腦的效能，並與現有矽技術進行對標。雖然仍有進一步優化空間，但這項工作已在電子材料創新領域中邁出了重要一步。

Das表示，未來二維CMOS計算機距離實際應用還有不少工作要做，但他強調，自2010年左右起，2D材料相關研究進展迅速。對比矽技術長達80年的發展歷程，2D材料計算機的進步令人振奮。

該計畫得到了美國國家科學基金會、陸軍研究辦公室及海軍研究辦公室等機構的部分資助。