Το πυρίτιο έχει τροφοδοτήσει τσιπ υπολογιστών για δεκαετίες, αλλά οι μηχανικοί τρέχουν όλο και περισσότερο στα φυσικά όρια του υλικού. Για να κάνουν τα ηλεκτρονικά μικρότερα και πιο ισχυρά, οι ερευνητές διερευνούν τρόπους συνδυασμού του πυριτίου με νέα εξαιρετικά λεπτά υλικά.
Μια πολλά υποσχόμενη ομάδα υλικών είναι γνωστή ως διχαλκογονίδια μετάλλων μεταπτώσεως (TMD). Μεταξύ των κορυφαίων υποψηφίων είναι το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου, ένα υλικό πάχους μόνο τριών ατόμων, που αποτελείται από ένα στρώμα μολυβδαινίου μεταξύ δύο στρωμάτων θείου.
Αφαίρεση ενός μόνο ατομικού στρώματος
Για μελλοντικά τρανζίστορ που συνδυάζουν υλικά πυριτίου και TMD, οι κατασκευαστές μπορεί να χρειαστεί να επιλέξουν άτομα μόνο από το ανώτερο στρώμα θείου ενώ αφήνουν ανέγγιχτα τα υποκείμενα στρώματα.
Ένας συνηθισμένος τρόπος για την αφαίρεση των επιφανειακών ατόμων είναι μέσω του πλάσματος, της ισχυρής κατάστασης της ύλης που βρίσκεται στον Ήλιο και σε άλλα αστέρια. Η έρευνα για το πλάσμα έχει βρεθεί στο επίκεντρο του Εργαστηρίου Φυσικής Πλάσματος (PPPL) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) τα τελευταία 75 χρόνια.
Κάτω από προσεκτικά ελεγχόμενες συνθήκες, τα σωματίδια σε ένα πλάσμα μπορούν να χτυπήσουν την επιφάνεια ενός υλικού TMD και να εξαφανίσουν άτομα. Η πρόκληση είναι να επιτευχθεί αρκετή ενέργεια για να αφαιρεθούν τα άτομα θείου από το ανώτερο στρώμα χωρίς να καταστραφεί το στρώμα μολυβδαινίου από κάτω. Επειδή η διαφορά μεταξύ επιτυχίας και αποτυχίας είναι τόσο μικρή, η ανάπτυξη μιας αξιόπιστης διαδικασίας έχει αποδειχθεί δύσκολη.
Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστή, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η επεξεργασία του δισουλφιδίου του μολυβδαινίου με οξυγόνο ή φθόριο πριν από την έκθεση στο πλάσμα θα μπορούσε να ελέγξει περαιτέρω τη διαδικασία. Τα ευρήματά τους δημοσιεύονται Journal of Physical Chemistry Letters.
Το οξυγόνο και το φθόριο επεκτείνουν το περιθώριο ασφαλείας
Οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν ότι η προεπεξεργασία μειώνει δραματικά την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση των ατόμων θείου.
Σε μια μη επεξεργασμένη επιφάνεια, χρειάζονται περίπου 30 ηλεκτρον βολτ για να αφαιρεθεί ένα άτομο θείου. Αυτό το όριο πέφτει σε περίπου 10 ηλεκτρον βολτ όταν προστίθεται φθόριο και σε περίπου 14 ηλεκτρον βολτ όταν χρησιμοποιείται οξυγόνο.
Αυτή η διάκριση είναι σημαντική επειδή τα ιόντα του πλάσματος δεν μεταφέρουν την ίδια ποσότητα ενέργειας. Μερικοί έχουν περισσότερη δύναμη από άλλους. Σε μια μη επεξεργασμένη επιφάνεια, το εύρος μεταξύ της αφαίρεσης των ατόμων θείου και της καταστροφής του υποκείμενου στρώματος μολυβδαινίου είναι τόσο στενό που ορισμένα ιόντα μπορεί να προκαλέσουν ανεπιθύμητη βλάβη.
Η μείωση του ορίου αφαίρεσης θείου στα 10 ή 14 ηλεκτρον βολτ δημιουργεί ένα ευρύτερο παράθυρο λειτουργίας. Ως αποτέλεσμα, οι κατασκευαστές θα έχουν μεγαλύτερη ευελιξία για την καθαρή αφαίρεση του ανώτερου στρώματος θείου, διατηρώντας παράλληλα το υπόλοιπο υλικό.
Αφήστε τη χημεία να δουλέψει
Αντί να βασίζονται αποκλειστικά σε φυσικές επιδράσεις στα ελεύθερα άτομα, οι ερευνητές βρήκαν έναν τρόπο να χρησιμοποιήσουν τη χημεία για να βοηθήσουν τη διαδικασία.
Όταν ένα εισερχόμενο ιόν χτυπά μια επιφάνεια που έχει υποστεί επεξεργασία με οξυγόνο, δύο άτομα οξυγόνου μπορούν να συνδυαστούν με κοντινά άτομα θείου για να σχηματίσουν διοξείδιο του θείου, ένα σταθερό αέριο που μπορεί φυσικά να φύγει από την επιφάνεια. Το φθόριο συμπεριφέρεται παρόμοια, σχηματίζοντας ενώσεις θείου-φθορίου που αφαιρούνται εύκολα.
«Δεν σπάμε άμεσα τους δεσμούς», είπε ο μεταπτυχιακός φοιτητής χημείας του Πανεπιστημίου Πρίνστον, Γιούρι Πολυτσένκο, ο οποίος εργάστηκε επίσης στο PPPL το καλοκαίρι του 2025 και είναι ο κύριος συγγραφέας της μελέτης. “Φτιάχνουμε ορισμένα ενδιάμεσα προϊόντα, όπως το διοξείδιο του θείου. Αυτό το ενδιάμεσο προϊόν είναι πολύ πιο εύκολο να διασπαστεί.”
Επέκταση της προσέγγισης σε άλλα υλικά
Οι ερευνητές σχεδιάζουν να συνεχίσουν τη μελέτη της τεχνικής για να κατανοήσουν καλύτερα τα αποτελέσματά της.
“Το επόμενο βήμα είναι να καθοριστεί πόση ζημιά προκαλεί η διαδικασία, όχι μόνο εάν προκαλεί ζημιά”, είπε ο Polyachenko. «Στη συνέχεια, θέλουμε να δούμε αν η ίδια προσέγγιση λειτουργεί για συναφή υλικά – αντικατάσταση μολυβδαινίου με βολφράμιο ή θείο με σελήνιο – για να μάθουμε πόσο ευρέως μπορεί να εφαρμοστεί αυτή η ιδέα».
Η ερευνητική ομάδα περιλάμβανε τους αποφοίτους του PPPL Yuriy Barsukov εκτός από τον Igor Kaganovich και τον Shoaib Khalid του PPPL.
Η εργασία υποστηρίχθηκε από το DOE, Office of Science, Fusion Energy Sciences και Basic Energy Sciences ως μέρος του Extreme Lithography and Materials Innovation Center, ενός Κέντρου Επιστήμης Μικροηλεκτρονικής Έρευνας με αριθμό σύμβασης DEAC02-09CH11466.
Οι προσομοιώσεις διεξήχθησαν στο Εθνικό Επιστημονικό Υπολογιστικό Κέντρο Έρευνας Ενέργειας (NERSC), μια εγκατάσταση χρηστών του DOE Office of Science στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, με αριθμό σύμβασης DE-AC02-05CH11231. Πρόσθετοι υπολογιστικοί πόροι περιλαμβάνουν τα συμπλέγματα Stellar, Della και Tiger στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και το βραβείο NERSC BES-ERCAP36136.