El silicio ha impulsado los chips de computadora durante décadas, pero los ingenieros se topan cada vez más con los límites físicos del material. Para hacer la electrónica más pequeña y más potente, los investigadores están investigando formas de combinar silicio con nuevos materiales ultrafinos.
Un grupo prometedor de materiales se conoce como dicalcogenuros de metales de transición (TMD). Entre los principales candidatos se encuentra el disulfuro de molibdeno, un material de sólo tres átomos de espesor, que consiste en una capa de molibdeno entre dos capas de azufre.
Eliminación de una sola capa atómica.
Para futuros transistores que combinen silicio y materiales TMD, es posible que los fabricantes necesiten seleccionar átomos solo de la capa superior de azufre y dejar intactas las capas subyacentes.
Una forma común de eliminar átomos de la superficie es a través del plasma, el estado fuerte de la materia que se encuentra en el Sol y otras estrellas. La investigación del plasma ha sido un foco importante en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) durante los últimos 75 años.
En condiciones cuidadosamente controladas, las partículas de un plasma pueden golpear la superficie de un material TMD y eliminar átomos. El desafío es lograr suficiente energía para eliminar los átomos de azufre de la capa superior sin dañar la capa de molibdeno que se encuentra debajo. Debido a que la diferencia entre el éxito y el fracaso es tan pequeña, desarrollar un proceso confiable ha resultado difícil.
Utilizando simulaciones por computadora, los investigadores descubrieron que tratar el disulfuro de molibdeno con oxígeno o flúor antes de la exposición al plasma podría controlar aún más el proceso. Sus resultados se publican Revista de letras de química física.
El oxígeno y el flúor amplían el margen de seguridad
Las simulaciones revelaron que el pretratamiento reduce drásticamente la energía necesaria para eliminar los átomos de azufre.
En una superficie no tratada, se necesitan unos 30 electronvoltios para eliminar un átomo de azufre. Ese umbral cae a unos 10 electronvoltios cuando se añade flúor, y a unos 14 electronvoltios cuando se utiliza oxígeno.
Esta distinción es importante porque los iones del plasma no transportan la misma cantidad de energía. Algunos tienen más poder que otros. En una superficie no tratada, el rango entre la eliminación de átomos de azufre y el daño a la capa de molibdeno subyacente es tan estrecho que algunos iones pueden causar daños no deseados.
Reducir el umbral de eliminación de azufre a 10 o 14 electronvoltios crea una ventana operativa más amplia. Como resultado, los fabricantes tendrán más flexibilidad para eliminar limpiamente la capa superior de azufre y al mismo tiempo conservar el resto del material.
Deja que la química funcione
En lugar de depender únicamente de los efectos físicos para liberar átomos, los investigadores encontraron una manera de utilizar la química para ayudar en el proceso.
Cuando un ion entrante golpea una superficie tratada con oxígeno, dos átomos de oxígeno pueden combinarse con átomos de azufre cercanos para formar dióxido de azufre, un gas estable que puede abandonar naturalmente la superficie. El flúor se comporta de manera similar, formando compuestos de azufre y flúor que son fáciles de eliminar.
“No estamos rompiendo vínculos directamente”, dijo Yuri Polyachenko, estudiante de posgrado en química de la Universidad de Princeton, quien también trabajó en PPPL en el verano de 2025 y es el autor principal del estudio. “Estamos fabricando algunos productos intermedios, como dióxido de azufre. Este producto intermedio es mucho más fácil de descomponer”.
Ampliando el enfoque a otros materiales
Los investigadores planean continuar estudiando la técnica para comprender mejor sus efectos.
“El siguiente paso es determinar cuánto daño está causando el proceso, no sólo si está causando daño”, dijo Polyachenko. “A continuación, queremos ver si el mismo enfoque funciona para materiales relacionados (intercambiar molibdeno por tungsteno o azufre por selenio) para descubrir en qué medida se puede aplicar este concepto”.
El equipo de investigación incluyó al ex alumno de PPPL, Yuriy Barsukov, además de Igor Kaganovich y Shoaib Khalid de PPPL.
El trabajo fue apoyado por el DOE, la Oficina de Ciencias, Ciencias de la Energía de Fusión y Ciencias Energéticas Básicas como parte del Centro de Innovación de Materiales y Litografía Extrema, un Centro de Investigación de Ciencias Microelectrónicas bajo el número de contrato DEAC02-09CH11466.
Las simulaciones se realizaron en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, bajo el número de contrato DE-AC02-05CH11231. Los recursos informáticos adicionales incluyen los clústeres Stellar, Della y Tiger de la Universidad de Princeton y el premio NERSC BES-ERCAP36136.
