二維材料雖然僅由一層或幾層原子構(gòu)成，但其用處非常大。石墨烯是最著名的二維材料。二硫化鉬（由鉬原子和硫原子構(gòu)成的僅有3個(gè)原子直徑厚度的層狀材料）也屬于二維材料的一種。但與石墨烯不同的是，二硫化鉬具有半導(dǎo)體性質(zhì)。維也納工業(yè)大學(xué)（TU Wien）光子學(xué)研究所的托馬斯·穆勒博士和他的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，二維材料最有希望替代硅成為未來(lái)生產(chǎn)微處理器及其它集成電路所使用的材料。

微處理器是當(dāng)今世界普遍存在且不可或缺的電子器件。若沒(méi)有微處理器技術(shù)的發(fā)展，許多在今天看似理所當(dāng)然的事物都將不復(fù)存在，如電腦、智能手機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)等。然而，一直被用來(lái)制造微處理器的硅材料正在逐漸接近其自身的物理極限。包括二硫化鉬在內(nèi)的二維材料，有望成為硅材料潛在的替代者。

雖然，自2004年石墨烯首次被成功分離至今，用二維材料制作單個(gè)晶體管的研究一直都在進(jìn)行，但是對(duì)于制造具有更復(fù)雜結(jié)構(gòu)電路的研究還未有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

近日，托馬斯·穆勒和他的研究團(tuán)隊(duì)在這一研究領(lǐng)域獲得了突破性的進(jìn)展，制作出了全球首個(gè)基于二維材料的微處理器。該處理器芯片表面積僅為0.6平方毫米，集成有115個(gè)以二硫化鉬作為溝道材料、鈦/金作柵極、氧化鋁為柵氧化層的晶體管，其數(shù)據(jù)寄存器及程序計(jì)數(shù)器總?cè)萘繛?個(gè)比特，可執(zhí)行外部存儲(chǔ)器中的自定義程序、完成邏輯運(yùn)算以及與外界進(jìn)行通信。該處理器具有截至目前最為復(fù)雜的基于二維材料的電路結(jié)構(gòu)，1個(gè)比特的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)也能很容易得到擴(kuò)展。

研究團(tuán)隊(duì)的Stefan Wachter博士說(shuō)：“雖然按照傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)此研究成果看上去并不是很突出，但在二維材料微處理器研究領(lǐng)域，該研究的成功仍然是一個(gè)非常重大的突破。因?yàn)槲覀儗?shí)現(xiàn)了對(duì)這一概念的驗(yàn)證，并十分確定它會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展?！比欢?，該研究項(xiàng)目得以成功的原因也不單單在材料選擇上。“我們也仔細(xì)考慮過(guò)單個(gè)晶體管的尺寸問(wèn)題?；倦娐吩骷芯w管的幾何尺寸是決定能否實(shí)現(xiàn)制造、級(jí)聯(lián)更多復(fù)雜單元的關(guān)鍵因素?！蹦吕战忉尩?。

不言而喻，該技術(shù)若想得到實(shí)際應(yīng)用，必須擴(kuò)大其晶體管集成度，需要有成千上萬(wàn)甚至更多的晶體管來(lái)構(gòu)成具有強(qiáng)大功能且復(fù)雜的電路。另外，再現(xiàn)性是需要克服的又一個(gè)挑戰(zhàn)。畢竟，無(wú)論是二維材料的合成還是隨后的處理過(guò)程都還處在一個(gè)相當(dāng)初級(jí)的階段。

穆勒指出：“由于我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室是通過(guò)人工的形式制作電路的，如此復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)幾乎是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)?，為了使處理器正常工作，要確保每一個(gè)晶體管都能按計(jì)劃發(fā)揮相應(yīng)的作用?！比欢芯咳藛T確信，隨著工業(yè)的進(jìn)步，用不了幾年，該技術(shù)就一定能在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如，由于二維材料具有突出的機(jī)械柔韌度，對(duì)于制造柔性電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)比傳統(tǒng)硅材料更具優(yōu)勢(shì)。