世界首台非硅二维材料计算机问世 二维材料是什么？二维材料的核心特征解读

据外媒报道；美国宾夕法尼亚州立大学团队在《自然》杂志发表研究成果，首次利用原子级厚度的二维材料（非硅）成功研制出功能完整的计算机，标志着新型电子设备开发的重要进展。这是一项突破性成果；首次利用二维材料制造出一台能够执行简单操作的计算机。这项研究标志着向造出更薄、更快、更节能的电子产品迈出了重要一步。

该研究成果肯定了二维材料在原子尺度下的稳定性与电学性能优势，也为突破硅基半导体物理极限提供新路径。

核心材料与结构‌

使用 ‌二硫化钼（MoS₂）‌ 制造n型晶体管，‌二硒化钨（WSe₂）‌ 制造p型晶体管，取代传统硅材料。

两种材料均仅一个原子厚度，在微小尺度下仍保持优异电子性能，克服硅基材料的物理极限。

‌制造工艺‌

采用 ‌金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术‌，制备大面积二维材料薄膜，并分别制造超1000个n型和p型晶体管，构建互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑电路。

‌性能表现‌

计算机为 ‌单指令集架构‌，可在低电压下运行，功耗极低。

支持高达25千赫兹频率的逻辑运算，虽速度低于传统硅基芯片，但能完成基础计算任务。

二维材料是什么？

二维材料是指电子仅能在两个维度的纳米尺度上自由运动的材料，如石墨烯、二硫化钼等，它们与传统三维材料（如金属、塑料）在结构上有着本质的区别。二维材料是指具有原子级厚度（通常为单层或几层原子）且电子运动被限制在二维平面内的新型纳米材料。二维材料的全名为二维原子晶体材料，是伴随着2004年曼彻斯特大学（University of Manchester）Geim 小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯（graphene） 而提出的。

在日常生活中我们见到的材料一般都是三维的，也就是具有一定长度、宽度、高度，但如果把一个维度抹平，那就是二维材料。例如一本书就具有长宽高，而二维材料就像是从这本书上单独撕下来的一页纸，看上去只有长和宽，厚度在我们肉眼看来几乎为零。在科学界，真实的二维材料就是厚度为单个原子或者少数几个原子的材料，一般厚度仅仅是一张A4纸的百万分之一。

二维材料的核心特征：

一、定义与结构特征

‌原子级厚度‌：在三维空间中仅有一个维度处于纳米尺度（约0.7–2纳米），另两个维度为微米级或更大，形成“片状”结构，厚度约为头发丝直径的二十万分之一。

‌电子限域效应‌：电子只能在二维平面内自由运动，导致其展现出区别于三维材料的独特物理、化学性质。

二、典型类型与代表材料

‌石墨烯‌：首个被发现的二维材料，由单层碳原子组成蜂窝状结构，具有超高导电性、导热性和机械强度。

‌过渡金属二硫化物（TMDs）‌：如二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂），具备直接带隙特性，适用于光电器件。

‌二维金属‌：如单原子层金片（Goldene）、铋、锡等，突破传统金属无法形成二维结构的认知，兼具高导电性与透明性。

‌其他材料‌：六方氮化硼（h-BN）、黑磷（BP）、MXene等。

三、独特性质

‌物理性能‌：

超高比表面积，增强表面反应活性；

优异的机械柔韧性和强度（如石墨烯强度是钢的200倍）；

高电子迁移率，减少载流子散射。

‌功能特性‌：

可调带隙（如TMDs）、量子效应；

高透光率（＞97%）、高导热性。

四、制备方法

‌自上而下法‌：通过机械剥离、液相剥离等技术从块体材料中分离单层（如石墨烯）。

‌自下而上法‌：

化学气相沉积（CVD）在基底上直接生长；

范德华挤压技术：熔化金属后以二维材料（如MoS₂）为“压砧”挤压成原子层；

外延生长（如“低对齐法”在非晶基底上制备单晶TMDs）。

五、应用前景

‌电子器件‌：超薄晶体管、低功耗芯片、柔性屏幕；

‌复合材料‌：碳化硅-金刚石复合材料提升耐磨耐腐蚀性；

‌能源与催化‌：高效电池电极、光催化剂；

‌量子技术‌：利用量子效应开发新型传感器和计算单元。

二维材料通过突破三维材料的物理限制，为纳米科技、电子信息、能源存储等领域带来革命性突破，被视为“材料科学的新纪元”。