Um novo estudo liderado pela Universidade de Princeton mostra que, ao introduzir vestígios de oxigênio ou revestimentos de flúor na superfície de materiais bidimensionais específicos, a controlabilidade do processo de gravação a plasma pode ser significativamente melhorada, o que deverá promover a fabricação de uma nova geração de chips de computador menores, mais rápidos e mais eficientes em termos energéticos. Esta conquista inovadora fornece um meio de processo chave para a introdução de novos materiais ultrafinos baseados em processos tradicionais de silício.
Os chips comerciais de hoje integraram bilhões de transistores de silício por polegada quadrada, mas os materiais de silício estão gradualmente se aproximando dos limites físicos em termos de redução de tamanho e melhoria de desempenho. A fim de continuar a evolução da Lei de Moore, a comunidade de pesquisa científica voltou sua atenção para um tipo de dichalcogeneto de metal de transição ultrafino (TMD), na esperança de que ele possa trabalhar em conjunto com o silício para construir futuras estruturas de transistores. Entre esses materiais candidatos, o dissulfeto de molibdênio (MoS₂) é de particular interesse, pois tem apenas três camadas atômicas de espessura: uma camada de átomos de molibdênio no meio e uma camada de átomos de enxofre acima e abaixo.
Para integrar efetivamente esse tipo de material TMD em uma estrutura de chip, o processo de fabricação geralmente requer "retirar apenas uma camada" - removendo com precisão a camada superior de átomos de enxofre na superfície, deixando intactas a camada inferior de molibdênio e a camada inferior de enxofre. O método atual comumente usado na indústria é um processo de gravação baseado em plasma, que usa partículas carregadas de alta energia semelhantes ao estado físico do sol e das estrelas para bombardear a superfície do material e eliminar os átomos um por um.
A dificuldade é que existe uma distribuição de energia iônica no plasma, e a janela do processo é extremamente estreita para remover os átomos de enxofre da superfície sem danificar os átomos de molibdênio imediatamente abaixo. Se a energia for ligeiramente inferior, os átomos de enxofre não podem ser removidos completamente; se a energia for um pouco maior, a camada de molibdênio pode ser danificada, fazendo com que todo o material perca seu valor como camada de canal de alto desempenho. É esse problema de controle de processo de “pequena diferença” que restringiu a aplicação em larga escala de materiais TMD em processos de fabricação avançados por muitos anos.
Este trabalho realizado por uma equipe de pesquisa de Princeton e outras instituições, por meio de simulações computacionais em larga escala, encontrou uma solução de "assistência química" aparentemente simples, mas muito eficaz: revestir funcionalmente a superfície do dissulfeto de molibdênio com oxigênio ou flúor antes do tratamento com plasma. Os resultados da simulação mostram que esta etapa extra amplia significativamente a janela do processo de segurança, tornando mais fácil a remoção apenas da camada superior de átomos de enxofre sem danificar a camada subjacente de molibdênio.
A pesquisa mostra que para remover um átomo de enxofre na superfície do dissulfeto de molibdênio não tratado, é necessária uma energia incidente de aproximadamente 30 elétron-volts. Uma vez pré-revestido com flúor, este limite de energia pode ser reduzido para cerca de 10 elétron-volts; com revestimento de oxigênio, pode ser reduzido para cerca de 14 elétron-volts. Em comparação, as energias correspondentes aos dois resultados de “remoção de enxofre” e “perfuração da camada de molibdênio” na situação original são muito próximas, tornando difícil evitar danos ao corpo principal do material durante o processamento real.
Com revestimentos de oxigênio ou flúor, a energia necessária para separar os átomos de enxofre é significativamente reduzida, criando uma distância maior do “limiar de dano”. Sob esta janela operacional mais ampla, mesmo que haja certas flutuações na energia dos íons no plasma, ainda há uma maior probabilidade de que apenas a remoção seletiva dos átomos de enxofre na superfície seja desencadeada sem danificar a camada de molibdênio no núcleo da estrutura. Essa diferença é crítica na busca pela precisão em nível atômico na fabricação de semicondutores.
A equipa de investigação destacou que a chave para a nova estratégia é “deixar as reações químicas ajudarem”, em vez de confiar inteiramente no impacto físico das partículas plasmáticas. Quando os íons de alta velocidade atingem a superfície do MoS₂ pré-coberta com oxigênio, dois átomos de oxigênio próximos tenderão a se combinar com um átomo de enxofre para gerar uma molécula de gás dióxido de enxofre. Essa molécula é termodinamicamente muito estável e é mais fácil de se separar espontaneamente da superfície do material, o que equivale a “retirar o enxofre por meio de uma reação química”.
Da mesma forma, se for utilizado um revestimento de flúor, será gerado um composto intermediário contendo ligações enxofre-flúor, que também é mais fácil de quebrar do que as ligações S-Mo originais, conseguindo assim um ataque superficial suave e seletivo. O primeiro autor do artigo, Yury Polyachenko, estudante de pós-graduação do Departamento de Química da Universidade de Princeton e membro do verão de 2025 do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL), disse que eles não quebraram diretamente as ligações químicas mais fortes dentro do material, mas primeiro geraram produtos intermediários "melhores" por meio da funcionalização e depois os removeram com menor energia.
Este resultado foi publicado no The Journal of Physical Chemistry Letters e discutiu detalhadamente o impacto de diferentes métodos de funcionalização de superfície nas barreiras energéticas e riscos de danos. O trabalho de simulação atual concentra-se principalmente em responder à pergunta "Será danificado?" Na próxima fase, a equipe planeja quantificar ainda mais os tipos de defeitos específicos e as densidades produzidas sob diferentes condições de processo, fornecendo assim mais orientações de parâmetros operacionais para a indústria.
Os investigadores também planeiam estender esta ideia a uma gama mais ampla de sistemas de materiais, como a substituição do molibdénio por tungsténio, a substituição do enxofre por selénio, etc., para ver se esta combinação de funcionalização de oxigénio/flúor e ataque seletivo de plasma também é aplicável. Se efeitos semelhantes puderem ser reproduzidos em uma variedade de materiais TMD, isso abrirá mais espaço para a seleção de materiais de canais ultrafinos e o projeto de estruturas de pilha multimateriais no futuro.
A pesquisa foi financiada pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA e foi conduzida no âmbito do projeto de pesquisa microeletrônica do Extreme Lithography & Materials Innovation Center, realizado pelo Laboratório de Física de Plasma de Princeton. Simulações numéricas relevantes em grande escala são concluídas principalmente no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) e nos clusters de computação de alto desempenho Stellar, Della e Tiger da Universidade de Princeton.