一种新技术有望解决利用超薄材料制造未来计算机芯片所面临的最大挑战之一。研究人员发现，在二硫化钼表面涂覆氧或氟，可使制造商在等离子体处理过程中更安全地仅去除顶层原子。这为制造体积更小、功能更强的电子设备提供了一条更清洁、更可控的路径。
一类极具前景的材料被称为过渡金属二硫属化物（TMD）。其中领先的候选材料是二硫化钼，这是一种仅有三个原子厚度的材料，由两层硫原子中间夹一层钼原子构成。
移除单原子层
对于结合硅和TMD材料的未来晶体管，制造商可能需要仅选择性地移除顶部硫层的原子，同时保持下层结构完好无损。
移除表面原子的一种常见方法是利用等离子体，即存在于太阳和其他恒星中的一种物质高能态。在过去的75年里，等离子体研究一直是美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的主要关注点。
在精心控制的条件下，等离子体内的粒子可以撞击TMD材料的表面并将原子撞离。挑战在于要获得足够的能量以移除顶层的硫原子，同时不损伤下方的钼层。由于成功与损伤之间的界限极其微小，开发可靠的工艺已被证明十分困难。
利用计算机模拟，研究人员发现，在进行等离子体处理前用氧或氟处理二硫化钼，可使该过程更具可控性。他们的研究结果发表在《物理化学快报》（Journal of Physical Chemistry Letters）上。
氧和氟扩大了安全裕度
模拟结果显示，预处理显著降低了移除硫原子所需的能量。
在未经处理的表面，剥离一个硫原子需要约30电子伏特的能量。当加入氟时，这一阈值降至约10电子伏特；而使用氧时，则降至约14电子伏特。
这种差异至关重要，因为等离子体离子所携带的能量并不完全相同，有些离子的能量会高于其他离子。在未经处理的表面，移除硫原子与损伤下方钼层之间的能量范围极其狭窄，这很可能导致某些离子造成意外的损伤。
将硫原子移除阈值降至10或14电子伏特，可以创造更宽的操作窗口。因此，制造商将拥有更大的灵活性，能够在彻底移除顶部硫层的同时保留材料的其余部分。
让化学发挥作用
研究人员并未完全依赖物理撞击来使原子脱离，而是找到了一种利用化学作用辅助该过程的方法。
当入射离子撞击经氧处理的表面时，两个氧原子可与附近的硫原子结合形成二氧化硫，这是一种能够自然脱离表面的稳定气体。氟的作用机制类似，可生成更容易被移除的硫氟化合物。
“我们并不是直接打断化学键，”普林斯顿大学化学系研究生尤里·波利亚琴科（Yury Polyachenko）说道，他曾在2025年夏季在PPPL工作，也是该研究的第一作者。“我们是在形成一些中间产物，例如二氧化硫。这种中间产物更容易脱离。”
将该方法扩展到其他材料
研究人员计划继续研究这项技术，以更好地了解其效果。
“下一步是弄清楚该过程究竟造成了多大程度的损伤，而不仅仅是判断其是否造成损伤，”波利亚琴科说。“此后，我们想看看同样的方法是否适用于相关材料——例如将钼替换为钨，或将硫替换为硒——以查明这一理念的适用范围有多广。”
研究团队成员还包括PPPL的伊戈尔·卡加诺维奇（Igor Kaganovich）和肖伊布·哈立德（Shoaib Khalid），以及PPPL校友尤里·巴尔苏科夫（Yuri Barsukov）。
这项工作由美国能源部科学办公室、聚变能科学和基础能源科学资助，作为微电子科学研究中心——极端光刻与材料创新中心的一部分完成，合同编号为DEAC02-09CH11466。
模拟工作在国家能源研究科学计算中心（NERSC）完成，该中心是位于劳伦斯伯克利国家实验室的美国能源部科学办公室用户设施，依据合同编号DE-AC02-05CH11231运行。其他计算资源包括普林斯顿大学的Stellar、Della和Tiger集群，以及NERSC的BES-ERCAP36136项目资助。