石墨烯研發(fā)新成果：超薄柔性微處理器

　　微處理器，是當代電子工業(yè)的核心器件。無(wú)論是智能手表、智能手機、智能家電等消費電子產(chǎn)品，還是超級計算機、汽車(chē)引擎控制、數控機床、導彈精確制導等都高精尖技術(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(wú)法應用于柔性電子領(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)上自由運動(dòng)(平面運動(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(zhù)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(yōu)秀的半導體特性，十分適用于柔性電子設備。

　　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)導維也納技術(shù)大學(xué)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(gè)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(jìn)行一比特的邏輯運算，而未來(lái)有望拓展至多比特運算。

　　MoS2的薄度意味著(zhù)晶體管具有高響應性。 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。運行簡(jiǎn)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(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

　　對此，Thomas Mueller 博士認為：“總體來(lái)說(shuō)，成為一種柔材料將會(huì )帶來(lái)新型應用。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(jìn)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(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 認為：“盡管，這和目前基于硅的工業(yè)標準相比來(lái)說(shuō)，顯得很遜色。但是它成為這個(gè)領(lǐng)域研究中的一項重要突破?，F在我們已經(jīng)有了概念驗證，原則上，沒(méi)有理由看不到未來(lái)的進(jìn)展。”

　　這個(gè)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(lái)它會(huì )具有更大的成果。對于團隊下一步的計劃，Mueller 解釋說(shuō)：“我們的目標是實(shí)現更大的電路，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計，或者更多的比特。”但是由于設計和制造，這個(gè)目標將面臨挑戰，所以Stefan Wachter 說(shuō)：“增加更多的比特，當然會(huì )使得每件事都會(huì )變得更加復雜。例如，增加僅僅一個(gè)比特，就會(huì )將電路的復雜性增加兩倍。”

　　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，對于制造更加復雜的電路來(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體技術(shù)的補充性技術(shù)。

　　對此，Mueller博士解釋道：“我們的電路或多或少是在實(shí)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(gè)晶體管必須按照計劃運行，以使得處理器能夠作為一個(gè)整體來(lái)工作。”另外，未來(lái)提高多級設計工藝，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。因為在所有因素中，傳輸大區域、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(cháng)，這將會(huì )避免轉移過(guò)程。這樣可以帶來(lái)更高的產(chǎn)量，讓我們可以生產(chǎn)更加復雜的電路。”

　　研究人員認為，未來(lái)幾年，這項技術(shù)將會(huì )有各種各樣新的工業(yè)應用，柔性電子便是一個(gè)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。