三层垂直堆叠架构，一颗芯片同时实现采光、运算与化学检测

如今绝大多数便携电子设备，包括笔记本、智能手机与智能手表，都依靠电池供电，每隔一两天就需要充电。但过去十年间，全球工程师一直在研发无电池电子设备：这类器件可从自然光、室内照明、环境余热等可再生环境能源中自主采集电能。

宾夕法尼亚州立大学一支研究团队近期推出一款小型一体化集成电路（IC），芯片仅依靠环境光采集能量，同步完成数据运算与周边化学物质检测。该成果论文刊发于《自然 - 电子》（Nature Electronics），这款全新芯片有望催生永久免充电设备，即便身处无插座、无法更换电池的场景，也能持续稳定运行。

异质元器件M3D集成，打造自供电微电子器件

“我们实验室长期在探索一个核心问题：能否打造一类电子系统，不仅能感知环境信息，还可本地处理数据、依靠环境能源自给供电？” 论文通讯作者 Saptarshi Yang 接受采访时表示，“未来海量物联网（IoT）与边缘计算设备将部署在偏远、难以维护的场景，更换电池成本极高。我们希望验证一款高度集成单片三维架构芯片，将能量采集、传感、计算三大功能融为一体。”

单片三维集成电路：传感端自供电本地计算

一款光能驱动芯片，可同步实现化学物质检测与数据运算

Das团队研发的芯片集成两种二维半导体晶体管材料：二硫化钼（MoS₂）、二硒化钨（WSe₂），同时搭配硅光伏模块与石墨烯传感单元。整套芯片由三层裸片垂直堆叠构成。

Das介绍，底层为硅光伏层，负责捕获环境光能并转化为电能；中间层采用二维半导体打造低功耗逻辑电路，集成 n 型 MoS₂与 p 型 WSe₂晶体管；顶层搭载石墨烯化学传感器。

当液体接触石墨烯传感层时，器件电学特性会发生改变，产生对应电信号；信号通过垂直互连结构向下传输至中间逻辑层，转换为数字信号。

“整套芯片全部由底层采光模块供电，无需外接任何电源。”Das说道。

光伏驱动石墨烯化学传感器

可规模化落地的无电池电子方案

该团队研发的集成电路是目前体积最小的光供能芯片之一，各功能层裸片间距仅 50 纳米。未来还可进一步缩小层间距离，打造尺寸更小的环境光自供电设备。

“我们证实硅、石墨烯、MoS₂、WSe₂多种异质材料可在单片三维架构中一体化集成，实现自驱动传感计算系统。”Das解释道，“这和多颗独立芯片并排外置互连有本质区别。传感、计算、能量采集单元达到纳米级紧密集成，既能缩小芯片体积，也能缩短互连线路、降低传输能耗。”

该研究为各类小型免充电创新设备铺平道路，尤其适用于野外自然环境监测、智能基建、医疗传感设备。Das补充：“下一步我们会完善这套系统，提升复杂度、拓展规模化落地能力。包括集成更大规模二维 CMOS 电路、丰富传感类型、优化光伏与储能单元，最终搭载低功耗无线通信模块。另一大研发重点是提升器件可靠性与制造良率，推动二维材料与传统硅基单片三维集成技术真正落地商用边缘计算设备。”