數十年來，矽一直是電腦晶片的基礎，但工程師們正日益面臨這種材料的物理極限。為了持續製造更小、更強大的電子產品，研究人員正在探索將矽與新型超薄材料結合的方法。
一組有潛力的材料被稱為過渡金屬二硫屬化物（TMD）。其中一種領先的候選材料是二硫化鉬，這種材料僅有三個原子厚，由一層鉬夾在兩層硫之間組成。
對於結合矽和 TMD 材料的未來電晶體，製造商可能需要選擇性地僅移除頂層硫原子，同時保持底層不受損壞。
一種移除表面原子常見的方法是使用電漿，這是太陽和其他恆星中存在的能量物質狀態。過去 75 年來，電漿研究也是美國能源部（DOE）普林斯頓電漿物理實驗室（PPPL）的主要研究重點。
在嚴格控制的條件下，電漿中的粒子可以撞擊 TMD 材料的表面，將原子擊鬆。挑戰在於獲得足夠的能量來移除頂層的硫原子，同時又不損壞其下的鉬層。由於成功與損壞之間的差異極小，開發可靠的製程已被證明非常困難。
研究人員利用電腦模擬發現，在電漿處理前，先用氧氣或氟處理二硫化鉬，可以使製程更加可控。他們的研究結果發表在《物理化學通訊期刊》（Journal of Physical Chemistry Letters）。
氧氣和氟擴大了安全邊際
模擬顯示，預處理顯著降低了移除硫原子所需的能量。
在未經處理的表面上，分離一個硫原子大約需要 30 電子伏特（electron volts）。當添加氟時，這個閾值降至約 10 電子伏特，使用氧氣時則約為 14 電子伏特。
這個差異很重要，因為電漿離子並非都攜帶相同的能量。有些能量較高，有些則較低。在未經處理的表面上，移除硫原子和損壞下方鉬層之間的範圍非常狹窄，某些離子很可能會造成不必要的損壞。
將硫原子移除閾值降低到 10 或 14 電子伏特，可以創造更寬的操作窗口。因此，製造商將有更大的靈活性，可以乾淨地移除頂層硫，同時保留材料的其餘部分。
研究人員發現了一種利用化學來輔助製程的方法，而不是完全依賴物理撞擊來分離原子。
當入射離子撞擊經過氧氣處理的表面時，兩個氧原子可以與附近的硫原子結合形成二氧化硫，這是一種穩定的氣體，可以自然地從表面逸出。氟的行為類似，會形成更容易移除的硫氟化合物。
普林斯頓大學化學系研究生、2025 年夏季曾在 PPPL 工作、也是該研究的主要作者 Yury Polyachenko 表示：「我們並非直接破壞鍵結。我們形成了一些中間產物，例如二氧化硫。這種中間產物更容易脫離。」
將方法擴展到其他材料
研究人員計劃繼續研究這項技術，以更好地了解其影響。
Polyachenko 說：「下一步是弄清楚這個製程會造成多少損壞，而不僅僅是判斷它是否會造成損壞。之後，我們想看看同樣的方法是否適用於相關材料——將鉬換成鎢，或將硫換成硒——以了解這個想法的應用範圍有多廣。」
研究團隊還包括 PPPL 的 Igor Kaganovich 和 Shoaib Khalid，以及 PPPL 校友 Yuri Barsukov。
這項工作得到了美國能源部、科學辦公室、融合能源科學和基礎能源科學的支持，是極端光刻與材料創新中心（Extreme Lithography & Materials Innovation Center）的一部分，該中心是微電子科學研究中心，合約編號為 DEAC02-09CH11466。
模擬在國家能源研究科學計算中心（NERSC）進行，該中心是勞倫斯伯克利國家實驗室的 DOE 科學辦公室用戶設施，合約編號為 DE-AC02-05CH11231。額外的計算資源包括普林斯頓大學的 Stellar、Della 和 Tiger 集群，以及 NERSC 獎項 BES-ERCAP36136。
