復旦大學劉春森教授領導的團隊成功利用創新的 ATOM2CHIP 技術，將幾個原子厚的二維材料（二硫化鉬）直接生長於傳統的 0.13 微米 CMOS 矽晶片上，實現了高度整合的二維 NOR 快閃記憶體陣列與標準 CMOS 控制器的結合。這項研究於今年 10 月 8 日發表在《自然》期刊上，標誌著二維電子學的一個重要里程碑。
這項研究的成功，意味著二維材料的應用不再僅限於實驗室。研究團隊報告稱，從全晶片測試中獲得94.34%的良率，這個數字與商業矽晶片生產相當，並且操作速度高達五兆赫。每個位元的能量消耗僅為0.644皮焦耳，遠低於當前矽快閃記憶體單元的能耗。該記憶體展示了快速的20奈秒編程和擦除能力，十年的數據保留時間，以及超過10萬次的寫入循環耐久性。
為了實現這個成果，研究人員克服了表面粗糙度的挑戰。即使經過拋光的矽晶片，在奈米尺度上也存在不均勻的表面，可能會撕裂或損壞原子薄層。ATOM2CHIP方法引入了一種符合性黏附過程，使二維材料能夠在不破裂的情況下「流動」於底層電路的輪廓之上，同時一種適合二維材料的包裝系統則防止了熱和靜電損害。
▲ 利用 ATOM2CHIP 技術製作的全功能二維快閃記憶體晶片。（Source：論文）
此外，團隊的「跨平台系統設計」也至關重要，這一自定義接口確保了二維層能與CMOS控制邏輯無縫通信。這個設計使得指令驅動操作、32位平行處理和隨機存取成為可能，實現了一個功能齊全的記憶體晶片。
研究人員在論文中指出，這個成果是將二維電子學的優勢擴展到現實應用中的重要里程碑。其影響不僅限於快閃記憶體儲存，若能進一步擴展，這種混合架構將大幅降低功耗並提高下一代處理器和人工智慧處理器的密度，進而在原子極限上繼續推進摩爾定律。儘管大規模生產仍需數年時間，但這是二維材料距離商業應用最近的一次嘗試。
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（首圖來源：shutterstock）
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