基于二硫化鉬的內(nèi)存處理器

二硫化鉬的選擇在內(nèi)存處理器的開發(fā)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

據(jù)最新一期《自然-電子學(xué)》報道，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員提出了一種基于二硫化鉬的內(nèi)存處理器，專用于數(shù)據(jù)處理中的基本運算之一：向量矩陣乘法。這種操作在數(shù)字信號處理和人工智能模型的實現(xiàn)中無處不在，其效率的提高可為整個信息通信行業(yè)節(jié)約大量的能源。新處理器將1024個元件組合到一個一平方厘米的芯片上。每個元件都包含一個2D二硫化鉬晶體管以及一個浮動?xùn)艠O，用于在其存儲器中存儲電荷，以控制每個晶體管的導(dǎo)電性。以這種方式耦合處理和內(nèi)存，從根本上改變了處理器執(zhí)行計算的方式。研究人員指出，通過設(shè)置每個晶體管的電導(dǎo)率，他們可向處理器施加電壓并測量輸出，一步執(zhí)行模擬矢量矩陣乘法。

二硫化鉬的選擇在內(nèi)存處理器的開發(fā)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。與當(dāng)今計算機(jī)處理器中使用最廣泛的半導(dǎo)體硅不同，二硫化鉬形成穩(wěn)定的單層，只有3個原子厚，僅與周圍環(huán)境發(fā)生微弱的相互作用。它的薄度提供了生產(chǎn)極其緊湊器件的潛力。2010年，研究團(tuán)隊使用透明膠帶從晶體上剝離的單層材料創(chuàng)建了第一個單二硫化鉬晶體管。

從單個晶體管發(fā)展到超過1000個晶體管的關(guān)鍵進(jìn)步，在于可沉積材料的質(zhì)量。經(jīng)過大量工藝優(yōu)化后，團(tuán)隊現(xiàn)在可生產(chǎn)均勻覆蓋二硫化鉬均質(zhì)層的整個晶圓。這讓他們能采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具在計算機(jī)上設(shè)計集成電路，并將這些設(shè)計轉(zhuǎn)化為物理電路，從而為大規(guī)模生產(chǎn)打開了大門。

二硫化鉬性能及應(yīng)用研究進(jìn)展

二硫化鉬是一種奇特的材料，具有0D（粉末狀）、1D（管狀）、2D（層狀）和3D（塊狀）不同的結(jié)構(gòu)，因此表現(xiàn)出特有的性質(zhì)。在鋰離子電池、鈉離子電池和超級電容器中進(jìn)行交叉對比，由二維層狀二硫化鉬（2D）制備的正極復(fù)合材料電池?zé)o論是在能量密度方面還是在循環(huán)壽命方面都比另外幾種正極材料電池更加優(yōu)秀。在不同的硫化鉬化合物中，二硫化鉬是最重要的，目前世界各國都在對其進(jìn)行基礎(chǔ)研究、計算研究和實驗研究。因為同時具有大尺寸體積特性以及花瓣納米片狀特性所產(chǎn)生的量子限制效應(yīng)，二硫化鉬的多層納米結(jié)構(gòu)在生物和電子學(xué)等多個領(lǐng)域的應(yīng)用非常重要。

目前，有多種方法可制備二硫化鉬納米花，如水/溶劑熱法、溶膠–凝膠法、化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法等。二硫化鉬具有層狀結(jié)構(gòu)，不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的理化性能，還同時兼具類石墨烯的很多優(yōu)點。很多研究學(xué)者制備出二維、三維結(jié)構(gòu)的二硫化鉬，發(fā)現(xiàn)其具有較大的比表面積、良好的電子流動性、高電子態(tài)密度等特點，表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能。單層二硫化鉬與石墨烯的配合物以其穩(wěn)定的骨架、較高的比表面積和電導(dǎo)率被廣泛應(yīng)用于超級電容器中。

因為層狀二硫化鉬可以提供更多的鋰離子自由穿梭通道，另一方面也因為二硫化鉬具有更大的比表面積和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與石墨烯等層狀材料類似，層狀二硫化鉬也是一種層狀二維結(jié)構(gòu)，但與石墨烯等單一組成的片層不同，二硫化鉬采用了一種A–B–A型三明治層狀結(jié)構(gòu)，這大大降低了其表面聚集和折疊彎曲的可能性；當(dāng)用作鋰電池正極材料時，堅固的結(jié)構(gòu)可以有效地減少充放電時的材料崩塌和聚集，在理論上大大緩解了鋰離子電池、鈉離子電池或超級電容器的充放電容量衰退。

二硫化鉬薄膜具有特殊層狀結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出特有的光電性能，又因其屬于半導(dǎo)體材料，在電子器件方面具有較廣泛的應(yīng)用。二硫化鉬可應(yīng)用于電化學(xué)、鋰離子電池（儲鋰）、超級電容器等領(lǐng)域，是材料領(lǐng)域的研究熱點之一。二硫化鉬薄膜因其“二維”半導(dǎo)體的特性，有望突破晶體管微縮化的瓶頸，構(gòu)筑出速度更快、功耗更低、柔性透明的新型芯片。

近年來，國際上在單層二硫化鉬的制備等方面不斷突破，在晶圓質(zhì)量和器件性能上不斷探索極限，中國在這個方向處于前列。未來，可能借此研發(fā)出耗電極低、可穿戴且隨意彎折的芯片和顯示屏。

編輯：黃飛