Una nuova tecnica al plasma potrebbe consentire la realizzazione di chip per computer più piccoli e potenti.

Un gruppo promettente di materiali è quello dei dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD). Tra i principali candidati c’è il disolfuro di molibdeno, un materiale spesso solo tre atomi, costituito da uno strato di molibdeno tra due strati di zolfo.

Rimozione di un singolo strato atomico

Per i futuri transistor che combinano silicio e materiali TMD, i produttori potrebbero dover rimuovere selettivamente gli atomi solo dallo strato superiore di zolfo, lasciando intatti gli strati sottostanti.

Un metodo comune per rimuovere gli atomi superficiali prevede l’utilizzo del plasma, lo stato energetico della materia presente nel Sole e in altre stelle. La ricerca sul plasma è stata anche uno dei principali obiettivi del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) negli ultimi 75 anni.

In condizioni attentamente controllate, le particelle all’interno di un plasma possono colpire la superficie di un materiale TMD e staccare gli atomi. La sfida consiste nel raggiungere un’energia sufficiente per rimuovere gli atomi di zolfo dallo strato superficiale senza danneggiare lo strato di molibdeno sottostante. Poiché la differenza tra successo e danno è minima, lo sviluppo di un processo affidabile si è rivelato difficile.

Utilizzando simulazioni al computer, i ricercatori hanno scoperto che trattare il disolfuro di molibdeno con ossigeno o fluoro prima dell’esposizione al plasma può rendere il processo molto più controllato. I loro risultati sono stati pubblicati sul Journal of Physical Chemistry Letters .

L’ossigeno e il fluoro ampliano il margine di sicurezza

Le simulazioni hanno rivelato che il pretrattamento riduce drasticamente l’energia necessaria per rimuovere gli atomi di zolfo.

Su una superficie non trattata, per spostare un atomo di zolfo occorrono circa 30 elettronvolt. Questa soglia scende a circa 10 elettronvolt con l’aggiunta di fluoro e a circa 14 elettronvolt con l’utilizzo di ossigeno.

Questa differenza è importante perché gli ioni del plasma non trasportano tutti la stessa quantità di energia. Alcuni ne hanno più di altri. Su una superficie non trattata, l’intervallo tra la rimozione degli atomi di zolfo e il danneggiamento dello strato di molibdeno sottostante è così ristretto che alcuni ioni possono causare danni indesiderati.

Abbassare la soglia di rimozione dello zolfo a 10 o 14 elettronvolt crea un intervallo operativo più ampio. Di conseguenza, i produttori avrebbero maggiore flessibilità per rimuovere in modo pulito lo strato superficiale di zolfo, preservando al contempo il resto del materiale.

Lasciamo che sia la chimica a fare il lavoro

Anziché affidarsi esclusivamente agli impatti fisici per liberare gli atomi, i ricercatori hanno trovato un modo per utilizzare la chimica per agevolare il processo.

Quando uno ione in arrivo colpisce una superficie trattata con ossigeno, due atomi di ossigeno possono combinarsi con un atomo di zolfo vicino per formare anidride solforosa, un gas stabile che può naturalmente allontanarsi dalla superficie. Il fluoro si comporta in modo simile, creando composti zolfo-fluoro che sono più facili da rimuovere.

“Non stiamo rompendo direttamente i legami”, ha affermato Yury Polyachenko, dottorando in chimica all’Università di Princeton, che ha lavorato al PPPL durante l’estate del 2025 ed è l’autore principale dello studio. “Stiamo formando alcuni prodotti intermedi, come l’anidride solforosa. Questo prodotto intermedio è molto più facile da rompere.”

Estensione dell’approccio ad altri materiali

I ricercatori intendono continuare a studiare la tecnica per comprenderne meglio gli effetti.

“Il prossimo passo è capire quanti danni provoca il processo, non solo se li provoca”, ha affermato Polyachenko. “Dopodiché, vogliamo verificare se lo stesso approccio funziona per materiali simili, ad esempio sostituendo il molibdeno con il tungsteno o lo zolfo con il selenio, per capire quanto ampiamente questa idea possa essere applicata.”

Il team di ricerca comprendeva anche Igor Kaganovich e Shoaib Khalid del PPPL, insieme a Yuri Barsukov, ex allievo del PPPL.

Il lavoro è stato finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), dall’Ufficio della Scienza, dalla Divisione Scienze dell’Energia da Fusione e Scienze Energetiche di Base, nell’ambito dell’Extreme Lithography & Materials Innovation Center, un Centro di Ricerca Scientifica per la Microelettronica, con il contratto numero DEAC02-09CH11466.

Le simulazioni sono state eseguite presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), una struttura di calcolo per utenti dell’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) situata presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, operante nell’ambito del contratto numero DE-AC02-05CH11231. Ulteriori risorse di calcolo includevano i cluster Stellar, Della e Tiger presso l’Università di Princeton e il finanziamento NERSC BES-ERCAP36136.

Yury Polyachenko, Yuri Barsukov, Shoaib Khalid, Igor Kaganovich. Dicalcogenuro di metallo di transizione MoS2: funzionalizzazione con ossigeno e fluoro per la lavorazione selettiva al plasma . The Journal of Physical Chemistry Letters , 2026; 17 (18): 5207 DOI: 10.1021/acs.jpclett.6c00348