科技前沿

科技日报记者 刘霞美国宾夕法尼亚州立大学科学家研制出一款紧凑型芯片，它能从环境光中捕集能量，驱动片上计算，并同步感知周围化学物质。这款芯片有望带来不用充电的设备，即便身处无法更换电池，也无电源插座的环境，依然能持续不断地工作，可在环境监测、医疗保健等领域大显身手。相关论文发表于新一期《自然·电子学》杂志。

目前，笔记本电脑、智能手机和智能手表等便携电子产品大多依赖电池，需要充电。而许多未来的物联网和边缘计算系统需部署在偏远或难以触及之地，更换电池极不现实。而团队最新研制出的紧凑集成芯片，融捕能、计算和传感于“一身”。

该芯片融合了基于二硫化钼和硒化钨的两种不同类型晶体管、硅光伏模块以及石墨烯传感器。芯片由3层材料垂直堆叠而成：底层为硅光伏模块，从环境光中捕集能量；中间层是由二硫化钼晶体管和硒化钨晶体管构建的低功耗逻辑电路；顶层则是石墨烯基化学传感器。

当液体被置于石墨烯传感器上时，会改变该层的电响应。产生的电信号沿垂直互联线路向下传输至中间逻辑层，在那里被转换为数字代码。至关重要的是，整个过程由同一芯片上的光采集层供电，完全无需外接电源。

研究证明，硅、石墨烯、二硫化钼和硒化钨可在单一芯片内实现三维集成，构建自供电的传感与计算系统。该芯片是迄今已知最紧凑的光驱芯片之一，层间间距仅50纳米。未来，这一间距有望进一步缩小，从而催生更微小的环境光驱器件。

团队希望让这些系统更复杂、更可扩展、更实用，包括集成更大规模的电路、拓展传感器种类、改进光伏与储能组件，并最终融入低功耗无线通信。另一个重要方向是提升可靠性与可制造性，让二维材料与传统材料的单片三维集成更贴近现实世界的边缘计算系统。