幾十年來，矽一直為電腦晶片提供動力，但工程師越來越多地遇到這種材料的物理極限。為了使電子產品變得更小、更強大，研究人員正在研究將矽與新型超薄材料結合的方法。
一組有前途的材料稱為過渡金屬二硫屬化物（TMD）。主要候選者之一是二硫化鉬，這是一種三原子厚的材料，由兩層硫之間的一層鉬組成。
去除單一原子層
對於未來結合矽和 TMD 材料的晶體管，製造商可能需要選擇性地僅從頂部硫層去除原子，同時保持底層不受影響。
去除表面原子的常見方法是透過等離子體，這是在太陽和其他恆星中發現的物質的能量狀態。過去 75 年來，等離子體研究一直是美國能源部 (DOE) 普林斯頓等離子體物理實驗室 (PPPL) 的主要關注點。
在精心控制的條件下，等離子體中的粒子可以撞擊 TMD 材料的表面並釋放原子。面臨的挑戰是獲得足夠的能量來去除頂層的硫原子而不損壞下面的鉬層。由於成功與失敗之間的差異非常小，因此開發可靠的流程非常困難。
透過電腦模擬，研究人員發現，在等離子體暴露之前用氧氣或氟處理二硫化鉬可以使該過程更加受控。他們的研究結果發表在雜誌上 物理化學快報雜誌。
氧氣和氟擴大了安全裕度
模擬表明，預處理顯著降低了去除硫原子所需的能量。
在未經處理的表面上，大約需要 30 電子伏才能分解一個硫原子。當添加氟時此閾值下降至約10電子伏，當使用氧氣時該閾值下降至14電子伏。
這種差異很重要，因為並非所有等離子體離子都攜帶相同的能量。有些人比其他人有更多的精力。在未經處理的表面上，去除硫原子和損壞下面的鉬層之間的間隙非常窄，以至於某些離子可能會造成意外的損壞。
將脫硫閾值降低至 10 或 14 電子伏特可以創造更寬的窗口。因此，製造商將具有更大的靈活性，可以乾淨地去除頂部硫層，同時保留其餘材料。
讓化學作用發揮作用
研究人員沒有完全依靠物理影響來釋放原子，而是找到了一種使用化學來幫助這個過程的方法。
當傳入的離子撞擊經過氧處理的表面時，兩個氧原子可以與附近的硫原子結合形成二氧化硫，這是一種可以自然從表面逸出的穩定氣體。氟的行為類似，形成易於去除的硫氟化合物。
「我們不會直接打破聯繫，」普林斯頓大學化學研究生尤里·波利亞琴科 (Yury Polyachenko) 說，他也在 2025 年夏天在 PPPL 工作過，也是該研究的主要作者。 “我們正在形成一些中間產品，例如二氧化硫。這種中間產品更容易分解。”
將視野擴展到其他材料
研究人員計劃繼續研究該技術，以更好地了解其效果。
波利亞琴科說：“下一步是找出該過程造成了多少損害，而不僅僅是是否造成了損害。” “然後我們想看看同樣的方法是否適用於相關材料——用鉬換鎢，或者用硫換硒——看看這個想法的應用效果如何。”
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微電子科學研究中心內極限光刻和材料創新中心的科學、聚變能源科學和基礎能源科學辦公室的支持，合約編號為 DEAC02-09CH11466。
模擬是在國家能源研究科學計算中心 (NERSC) 進行的，該中心是美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的科學用戶辦公室辦公室，根據合約編號 DE-AC02-05CH11231 運營。普林斯頓大學的 Stellar、Della 和 Tiger 叢集以及 NERSC 獎項 BES-ERCAP36136 提供了額外的運算資源。
