Os chips de computador funcionam com silício há décadas, mas os engenheiros enfrentam cada vez mais os limites físicos do material. Para continuar a tornar a eletrônica menor e mais poderosa, os pesquisadores estão procurando maneiras de combinar o silício com novos materiais ultrafinos.
Um grupo promissor de materiais é conhecido como dichalcogenetos de metais de transição (TMDs). 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 camada atômica
Para futuros transistores que combinam materiais de silício e TMD, os fabricantes podem precisar remover seletivamente os átomos apenas da camada superior de enxofre, deixando as camadas inferiores intactas.
Uma forma comum de remover átomos da superfície é através do plasma, um estado energético da matéria encontrado no Sol e em outras estrelas. Nos últimos 75 anos, a pesquisa de plasma também tem sido o foco do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA.
Sob condições cuidadosamente controladas, as partículas do plasma podem colidir com a superfície do material TMD e eliminar átomos. O desafio é obter energia suficiente para remover os átomos de enxofre da camada superior sem danificar a camada de molibdênio abaixo. Como a diferença entre sucesso e dano 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 de expô-lo ao plasma poderia tornar o processo muito mais controlado. Seus resultados foram publicados em Revista de Cartas de Físico-Química.
Oxigênio e flúor aumentam a margem de segurança
Simulações mostraram 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 deslocar um átomo de enxofre. Este limite cai para cerca de 10 elétron-volts quando o flúor é adicionado e cerca de 14 elétron-volts quando o oxigênio é usado.
Esta distinção é importante porque nem todos os íons de plasma transportam a mesma quantidade de energia. Alguns têm mais energia do que outros. Numa superfície não tratada, o intervalo entre a remoção de átomos de enxofre e o dano à camada de molibdênio abaixo é tão estreito que alguns íons podem causar danos indesejados.
A redução do limite de dessulfuração para 10 ou 14 elétron-volts cria uma janela operacional mais ampla. Como resultado, os produtores terão mais flexibilidade para remover de forma limpa a camada superior de enxofre, preservando o restante do material.
Deixe a química fazer o trabalho
Em vez de confiar inteiramente nas forças físicas para libertar os átomos, os pesquisadores encontraram uma maneira de usar a química para auxiliar no processo.
Quando um íon que chega encontra uma superfície tratada com oxigênio, dois átomos de oxigênio podem se ligar a um átomo de enxofre próximo para formar dióxido de enxofre, um gás estável que pode sair naturalmente da superfície. O flúor se comporta de maneira semelhante, criando compostos de enxofre e flúor que são mais fáceis de remover.
“Não estamos quebrando diretamente o vínculo”, disse Yuri Polyachenko, estudante de graduação em química na Universidade de Princeton que também trabalhou no PPPL no verão de 2025 e é o principal autor do estudo. “Formamos alguns intermediários como o dióxido de enxofre. Esse intermediário é muito mais fácil de quebrar.”
Estendendo a abordagem a outros materiais
Os pesquisadores planejam continuar estudando o método para compreender melhor seus efeitos.
“O próximo passo será descobrir quais os danos que este processo causa, e não apenas se causa danos”, disse Polyachenko. “Depois disso, queremos ver se a mesma abordagem funciona para materiais relacionados – substituindo o molibdênio por tungstênio ou o enxofre por selênio – para ver até que ponto a ideia pode ser aplicada.”
A equipe de pesquisa também incluiu Igor Kaganovich e Shoaib Khalid do PPPL, bem como Yuriy Barsukov, graduado do PPPL.
O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia, Escritório de Ciência, Fusão e Ciências Básicas de Energia, como parte do Centro de Inovação de Materiais e Litografia Extrema, Centro de Pesquisa em Microeletrônica, sob o contrato número DEAC02-09CH11466.
As simulações foram realizadas no Centro Nacional de Ciência e Computação de Pesquisa Energética (NERSC), Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, sob o contrato número DE-AC02-05CH11231. Recursos computacionais adicionais incluíram os clusters Stellar, Della e Tiger na Universidade de Princeton e o prêmio NERSC BES-ERCAP36136.
