2D材料与铁电融合，实现大突破

二维半导体和铁电材料的融合可以实现数字和模拟信息的联合处理，显着改善能耗、电子设备性能，并带来新的功能。

我们生活在一个连续信息流的模拟世界中，我们的大脑同时处理和存储信息，但我们的设备以离散二进制代码的形式数字化处理信息，将信息分解成小块（或小块）。洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的研究人员揭示了一项开创性技术，它将连续模拟处理的潜力与数字设备的精度结合起来。

通过将超薄二维半导体与铁电材料无缝集成，这项发表在《自然电子》杂志上的研究揭示了一种提高能源效率并在计算中添加新功能的新方法。新的配置将传统的数字逻辑与类脑模拟操作相结合。

纳米电子器件实验室 ( Nanolab ) 与微系统实验室合作进行的创新，围绕独特的材料组合，实现受大脑启发的功能和先进的电子开关，包括出色的负电容隧道场效应晶体管 (TFET)。

在电子领域，晶体管或“开关”可以比作电灯开关，决定电流是否流动（打开）或不流动（关闭）。这些是二进制计算机语言中著名的 1 和 0，这种简单的打开和关闭操作几乎是我们电子设备从处理信息到存储内存的所有功能不可或缺的一部分。

TFET 是一种特殊类型的开关，其设计考虑了能源意识的未来。与需要特定最小电压才能导通的传统晶体管不同，TFET 可以在低得多的电压下工作。这种优化的设计意味着它们在切换时消耗的能量要少得多，从而显着降低了集成设备的总体功耗。

通过将超薄二维半导体与铁电材料无缝集成，这项发表在《自然电子》杂志上的研究揭示了一种提高能源效率并在计算中添加新功能的新方法。新的配置将传统的数字逻辑与类脑模拟操作相结合。图片来源：洛桑联邦理工学院

Nanolab 负责人 Adrian Ionescu 教授表示：“我们的努力代表了电子领域的重大飞跃，打破了之前的性能基准，负电容二硒化钨/二硒化锡 TFET 和在同一技术中创建突触神经元功能的可能性。”

Sadegh Kamaei 是洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的博士生，他首次在完全协同集成的电子系统中利用了二维半导体和铁电材料的潜力。二维半导体可用于超高效的数字处理器，而铁电材料则提供了同时连续处理和存储内存的可能性。将这两种材料相结合创造了充分利用每种材料的数字和模拟能力的机会。现在，我们上面的类比中的电灯开关不仅更加节能，而且它打开的灯可以燃烧得更亮。

Kamaei 补充道：“研究二维半导体并将其与铁电材料集成具有挑战性，但也带来了巨大的回报。我们的研究结果的潜在应用可能会重新定义我们未来如何看待电子设备以及与电子设备互动的方式。”

此外，该研究还深入研究了创建类似于生物突触的开关（脑细胞之间复杂的连接器），用于神经形态计算。“这项研究标志着冯·诺依曼逻辑电路和神经形态功能的首次共同集成，为创建创新计算架构指明了令人兴奋的道路，该架构的特点是极低的功耗以及迄今为止尚未开发的与数字信息处理相结合的构建神经形态功能的能力”，约内斯库补充道。

这些进步暗示电子设备将以与人脑平行的方式运行，以更符合人类认知的方式将计算速度与信息处理结合起来。例如，神经形态系统可能擅长完成传统计算机难以完成的任务，例如模式识别、感官数据处理，甚至某些类型的学习。传统逻辑与神经形态电路的这种融合表明了具有深远影响的变革。未来很可能会出现不仅更智能、更快速，而且能效呈指数级增长的设备。

参考文献：“用于集成陡坡逻辑和神经形态器件的二维半导体铁电门控”作者：Sadegh Kamaei、Xia Liu、Ali Saeidi、Yingfen Wei、Carlotta Gastaldi、Juergen Brugger 和 Adrian M. Ionescu，2023 年 8 月 31 日，自然电子学。

DOI：10.1038/s41928-023-01018-7

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