O silício alimenta chips de computador há décadas, mas os engenheiros estão cada vez mais se deparando com os limites físicos do material. Para tornar a eletrônica menor e mais poderosa, os pesquisadores estão investigando maneiras de combinar o silício com novos materiais ultrafinos.
Um grupo promissor de materiais é conhecido como dichalcogenetos de metais de transição (TMD). Entre os principais candidatos está o dissulfeto de molibdênio, um material com apenas três átomos de espessura, que consiste em uma camada de molibdênio entre duas camadas de enxofre.
Remoção de uma única camada atômica
Para futuros transistores que combinam materiais de silício e TMD, os fabricantes podem precisar selecionar átomos apenas da camada superior de enxofre, deixando as camadas subjacentes intactas.
Uma forma comum de remover átomos da superfície é através do plasma, o estado forte da matéria encontrado no Sol e em outras estrelas. A pesquisa de plasma tem sido um foco importante no Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) nos últimos 75 anos.
Sob condições cuidadosamente controladas, as partículas de um plasma podem atingir a superfície de um material TMD e eliminar átomos. O desafio é conseguir energia suficiente para remover os átomos de enxofre da camada superior sem danificar a camada de molibdênio abaixo. Como a diferença entre o sucesso e o fracasso é tão pequena, o desenvolvimento de um processo confiável tem se mostrado difícil.
Usando simulações de computador, os pesquisadores descobriram que tratar o dissulfeto de molibdênio com oxigênio ou flúor antes da exposição ao plasma poderia controlar ainda mais o processo. Suas descobertas são publicadas Revista de Cartas de Físico-Química.
Oxigênio e flúor ampliam a margem de segurança
Simulações revelaram que o pré-tratamento reduz drasticamente a energia necessária para remover átomos de enxofre.
Em uma superfície não tratada, são necessários cerca de 30 elétron-volts para remover um átomo de enxofre. Esse limite cai para cerca de 10 elétron-volts quando o flúor é adicionado e para cerca de 14 elétron-volts quando o oxigênio é usado.
Esta distinção é importante porque os íons de plasma não carregam a mesma quantidade de energia. Alguns têm mais poder do que outros. Numa superfície não tratada, o intervalo entre a remoção de átomos de enxofre e o dano à camada subjacente de molibdênio é tão estreito que alguns íons podem causar danos indesejados.
A redução do limite de remoção de enxofre para 10 ou 14 elétron-volts cria uma janela operacional mais ampla. Como resultado, os fabricantes terão mais flexibilidade para remover de forma limpa a camada superior de enxofre enquanto conservam o restante do material.
Deixe a química funcionar
Em vez de confiar apenas nos efeitos físicos para libertar átomos, os pesquisadores encontraram uma maneira de usar a química para auxiliar no processo.
Quando um íon que chega atinge uma superfície tratada com oxigênio, dois átomos de oxigênio podem se combinar com átomos de enxofre próximos para formar dióxido de enxofre, um gás estável que pode sair naturalmente da superfície. O flúor se comporta de maneira semelhante, formando compostos de enxofre-flúor fáceis de remover.
“Não estamos rompendo laços diretamente”, disse o estudante de graduação em química da Universidade de Princeton, Yuri Polyachenko, que também trabalhou no PPPL no verão de 2025 e é o principal autor do estudo. “Estamos fabricando alguns produtos intermediários, como o dióxido de enxofre. Esse produto intermediário é muito mais fácil de decompor.”
Estendendo a abordagem a outros materiais
Os pesquisadores planejam continuar estudando a técnica para entender melhor seus efeitos.
“O próximo passo é determinar quanto dano o processo está causando, e não apenas se está causando danos”, disse Polyachenko. “A seguir, queremos ver se a mesma abordagem funciona para materiais relacionados – trocando molibdênio por tungstênio ou enxofre por selênio – para descobrir até que ponto esse conceito pode ser aplicado.”
A equipe de pesquisa incluiu os ex-alunos do PPPL, Yuriy Barsukov, além de Igor Kaganovich e Shoaib Khalid do PPPL.
O trabalho foi apoiado pelo DOE, Office of Science, Fusion Energy Sciences e Basic Energy Sciences como parte do Extreme Lithography and Materials Innovation Center, um Centro de Pesquisa em Ciência Microeletrônica sob o contrato número DEAC02-09CH11466.
As simulações foram conduzidas no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), um DOE Office of Science User Facility no Lawrence Berkeley National Laboratory, sob o contrato número DE-AC02-05CH11231. Recursos computacionais adicionais incluem os clusters Stellar, Della e Tiger na Universidade de Princeton e o prêmio NERSC BES-ERCAP36136.
