Kisel är kungen inom halvledartekniken som ligger till grund för smartphones, datorer, elfordon och mycket mer, men dess krona kan vara på väg att glida, enligt ett team ledt av forskare vid Penn State.
I en världsnyhet använde de tvådimensionella (2D) material, som bara är en atom tjocka och behåller sina egenskaper i den skalan, till skillnad från kisel, för att utveckla en dator som kan utföra enkla operationer.
Utvecklingen, som publicerats i Nature, innebär ett stort steg mot förverkligandet av tunnare, snabbare och mer energieffektiv elektronik, enligt forskarna.
De skapade en CMOS-dator (komplementär metalloxidhalvledare) – en teknik som finns i hjärtat av nästan alla moderna elektroniska enheter – utan att använda kisel.
Istället använde de två olika 2D-material för att utveckla de två typer av transistorer som behövs för att styra strömflödet i CMOS-datorer: molybdendisulfid för n-typtransistorer och volframdiselenid för p-typtransistorer.
”Kisel har drivit på enastående framsteg inom elektroniken i årtionden genom att möjliggöra kontinuerlig miniatyrisering av fälteffekttransistorer (FET)”, säger Saptarshi Das, Ackley-professor i teknik och professor i ingenjörsvetenskap och mekanik vid Penn State, som ledde forskningen. FET styr strömflödet med hjälp av ett elektriskt fält, som alstras när en spänning läggs på.
”Men när kiselkomponenterna blir mindre börjar deras prestanda försämras. Tvådimensionella material behåller däremot sina exceptionella elektroniska egenskaper vid atomtjocklek, vilket erbjuder en lovande väg framåt.”
Das förklarade att CMOS-tekniken kräver att både n-typ- och p-typ-halvledare arbetar tillsammans för att uppnå hög prestanda vid låg strömförbrukning – en viktig utmaning som har hindrat försöken att gå vidare från kisel. Även om tidigare studier har visat på små kretsar baserade på 2D-material, har det varit svårt att skala upp till komplexa, funktionella datorer, säger Das.
”Det är det viktigaste framsteget i vårt arbete”, säger Das. ”Vi har för första gången visat en CMOS-dator som är helt byggd av 2D-material, som kombinerar transistorer av molybdendisulfid och volframdiselenid som odlats på stora ytor.”
Teamet använde metallorganisk kemisk ångdeposition (MOCVD) – en tillverkningsprocess som innebär att ingredienser förångas, en kemisk reaktion framkallas och produkterna deponeras på ett substrat – för att odla stora ark av molybdendisulfid och volframdiselenid och tillverka över 1 000 transistorer av varje typ.
Genom att noggrant finjustera tillverkningsprocessen och efterbehandlingen kunde de justera tröskelspänningarna för både n- och p-typtransistorer, vilket möjliggjorde konstruktionen av fullt fungerande CMOS-logikkretsar.
Subir Ghosh, till vänster, och Saptarshi Das, till höger, ledde ett team som utvecklade en kiselfri, komplementär metalloxid-halvledardator som kan utföra enkla operationer. Mellan dem visas ett mikroskopbild av den tillverkade datorn. Källa: Penn State
”Vår 2D CMOS-dator fungerar vid låga spänningar med minimal strömförbrukning och kan utföra enkla logiska operationer vid frekvenser upp till 25 kilohertz”, säger försteförfattaren Subir Ghosh, doktorand i ingenjörsvetenskap och mekanik under Das handledning.
Ghosh påpekar att driftsfrekvensen är låg jämfört med konventionella kisel-CMOS-kretsar, men att deras dator – känd som en dator med en instruktionsuppsättning – ändå kan utföra enkla logiska operationer.
”Vi har också utvecklat en beräkningsmodell, kalibrerad med hjälp av experimentella data och med hänsyn till variationer mellan olika enheter, för att prognostisera prestandan hos vår 2D CMOS-dator och jämföra den med den senaste kiselteknologin”, säger Ghosh.
”Även om det fortfarande finns utrymme för ytterligare optimering, markerar detta arbete en viktig milstolpe i utnyttjandet av 2D-material för att driva elektronikområdet framåt.”
Das instämde och förklarade att mer arbete behövs för att vidareutveckla 2D CMOS-datorn för bred användning, men betonade också att området utvecklas snabbt jämfört med utvecklingen av kiselteknologi.
”Kiseltekniken har utvecklats i cirka 80 år, men forskningen om 2D-material är relativt ny och började egentligen först omkring 2010”, säger Das.
”Vi förväntar oss att utvecklingen av datorer med 2D-material också kommer att ske gradvis, men detta är ett stort steg framåt jämfört med kiselns utveckling.”
Ghosh och Das tackade 2D Crystal Consortium Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) vid Penn State för att ha tillhandahållit de faciliteter och verktyg som behövdes för att demonstrera deras tillvägagångssätt.
Das är också knuten till Materials Research Institute, 2DCC-MIP och institutionerna för elektroteknik och materialvetenskap och teknik, alla vid Penn State.
Mer information: Saptarshi Das, A complementary two-dimensional material-based one instruction set computer, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08963-7. www.nature.com/articles/s41586-025-08963-7
