أظهرت دراسة جديدة أجرتها جامعة برينستون أنه من خلال إدخال كميات ضئيلة من الأكسجين أو طلاءات الفلور على سطح مواد محددة ثنائية الأبعاد، يمكن تحسين إمكانية التحكم في عملية حفر البلازما بشكل كبير، وهو ما من المتوقع أن يشجع تصنيع جيل جديد من رقائق الكمبيوتر الأصغر والأسرع والأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. يوفر هذا الإنجاز الخارق وسيلة عملية أساسية لإدخال مواد جديدة فائقة الرقة تعتمد على عمليات السيليكون التقليدية.

لقد دمجت الرقائق التجارية اليوم مليارات من ترانزستورات السيليكون في كل بوصة مربعة، ولكن مواد السيليكون تقترب تدريجياً من الحدود المادية من حيث تقليل الحجم وتحسين الأداء. من أجل مواصلة تطور قانون مور، حول مجتمع البحث العلمي انتباهه إلى نوع من ثنائي كالكوجينيد الفلز الانتقالي فائق الرقة (TMD)، على أمل أن يتمكن من العمل جنبًا إلى جنب مع السيليكون لبناء هياكل الترانزستور المستقبلية. ومن بين هذه المواد المرشحة، يعد ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂) ذا أهمية خاصة، حيث يبلغ سمكه ثلاث طبقات ذرية فقط: طبقة من ذرات الموليبدينوم في المنتصف، وطبقة من ذرات الكبريت في الأعلى والأسفل.

لدمج هذا النوع من مواد TMD بشكل فعال في هيكل الشريحة، تتطلب عملية التصنيع غالبًا "تقشير طبقة واحدة فقط" - إزالة الطبقة العليا من ذرات الكبريت على السطح بدقة مع ترك طبقة الموليبدينوم السفلية وطبقة الكبريت السفلية سليمة. الطريقة الحالية المستخدمة بشكل شائع في الصناعة هي عملية الحفر القائمة على البلازما، والتي تستخدم جزيئات مشحونة عالية الطاقة مماثلة للحالة الفيزيائية للشمس والنجوم لقصف سطح المادة وإخراج الذرات واحدة تلو الأخرى.

وتكمن الصعوبة في وجود توزيع للطاقة الأيونية في البلازما، ونافذة العملية ضيقة للغاية لإزالة ذرات الكبريت الموجودة على السطح دون الإضرار بذرات الموليبدينوم الموجودة أسفلها مباشرة. إذا كانت الطاقة أقل قليلاً، فلا يمكن إزالة ذرات الكبريت بالكامل؛ إذا كانت الطاقة أعلى قليلاً، فقد تتضرر طبقة الموليبدينوم، مما يتسبب في فقدان المادة بأكملها قيمتها كطبقة قناة عالية الأداء. إن مشكلة التحكم في العملية "البسيطة" هذه هي التي قيدت التطبيق واسع النطاق لمواد TMD في عمليات التصنيع المتقدمة لسنوات عديدة.

هذا العمل الذي أجراه فريق بحث من برينستون ومؤسسات أخرى، من خلال عمليات محاكاة حاسوبية واسعة النطاق، وجد حلاً "مساعدًا كيميائيًا" يبدو بسيطًا ولكنه فعال للغاية: طلاء سطح ثاني كبريتيد الموليبدينوم وظيفيًا بالأكسجين أو الفلور قبل معالجة البلازما. تظهر نتائج المحاكاة أن هذه الخطوة الإضافية تعمل على توسيع نافذة عملية الأمان بشكل كبير، مما يجعل من السهل إزالة الطبقة العليا فقط من ذرات الكبريت دون الإضرار بطبقة الموليبدينوم الأساسية.

تظهر الأبحاث أنه لإزالة ذرة كبريت واحدة من سطح ثاني كبريتيد الموليبدينوم غير المعالج، يلزم وجود طاقة عرضية تبلغ حوالي 30 إلكترون فولت. بمجرد طلاءها مسبقًا بالفلور، يمكن تقليل عتبة الطاقة هذه إلى حوالي 10 إلكترون فولت؛ ومع طلاء الأكسجين، يمكن تخفيضه إلى حوالي 14 إلكترون فولت. وبالمقارنة، فإن الطاقات المقابلة لنتيجتي "إزالة الكبريت" و"ثقب طبقة الموليبدينوم" في الوضع الأصلي متقاربة للغاية، مما يجعل من الصعب تجنب تلف الجسم الرئيسي للمادة أثناء المعالجة الفعلية.

مع طلاء الأكسجين أو الفلور، يتم تقليل الطاقة اللازمة لفصل ذرات الكبريت بشكل كبير، مما يخلق مسافة أكبر من "عتبة الضرر". في ظل نافذة التشغيل الأوسع هذه، حتى لو كانت هناك تقلبات معينة في الطاقة الأيونية في البلازما، فلا يزال هناك احتمال أكبر بأن يتم فقط تحفيز الإزالة الانتقائية لذرات الكبريت على السطح دون الإضرار بطبقة الموليبدينوم في قلب الهيكل. يعد هذا الاختلاف أمرًا بالغ الأهمية في السعي لتحقيق الدقة على المستوى الذري في تصنيع أشباه الموصلات.

وأشار فريق البحث إلى أن مفتاح الاستراتيجية الجديدة هو "السماح للتفاعلات الكيميائية بالمساعدة" بدلا من الاعتماد كليا على التأثير المادي لجزيئات البلازما. عندما تضرب الأيونات عالية السرعة سطح MoS₂ المغطى مسبقًا بالأكسجين، تميل ذرتان أكسجين قريبتان إلى الاندماج مع ذرة الكبريت لتوليد جزيء من غاز ثاني أكسيد الكبريت. هذا الجزيء مستقر للغاية من الناحية الديناميكية الحرارية ومن الأسهل فصله تلقائيًا عن سطح المادة، وهو ما يعادل "إزالة الكبريت من خلال تفاعل كيميائي".

وبالمثل، إذا تم استخدام طلاء الفلور، فسيتم إنشاء مركب وسيط يحتوي على روابط كبريت-فلور، وهو أيضًا أسهل في الكسر من روابط S-Mo الأصلية، وبالتالي تحقيق نقش سطحي لطيف وانتقائي. قال المؤلف الأول للورقة، يوري بولياتشينكو، طالب دراسات عليا في قسم الكيمياء بجامعة برينستون وعضو صيف 2025 في مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL)، إنهم لم يكسروا بشكل مباشر أقوى الروابط الكيميائية داخل المادة، ولكنهم قاموا أولاً بتوليد منتجات وسيطة "أفضل" من خلال التشغيل، ثم أزالوها بطاقة أقل.

نُشرت هذه النتيجة في مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية وناقشت بالتفصيل تأثير طرق التشغيل المختلفة للسطح على حواجز الطاقة ومخاطر الضرر. وتتركز أعمال المحاكاة الحالية بشكل أساسي على الإجابة على السؤال "هل سيتضرر؟" وفي المرحلة التالية، يخطط الفريق لإجراء مزيد من القياس الكمي لأنواع العيوب المحددة والكثافات المنتجة في ظل ظروف عملية مختلفة، وبالتالي توفير المزيد من إرشادات المعلمات التشغيلية لهذه الصناعة.

ويخطط الباحثون أيضًا لتوسيع هذه الفكرة لتشمل نطاقًا أوسع من أنظمة المواد، مثل استبدال الموليبدينوم بالتنغستن، واستبدال الكبريت بالسيلينيوم، وما إلى ذلك، لمعرفة ما إذا كان هذا المزيج من وظائف الأكسجين/الفلور والنقش الانتقائي للبلازما قابلاً للتطبيق أيضًا. إذا كان من الممكن إعادة إنتاج تأثيرات مماثلة في مجموعة متنوعة من مواد TMD، فسوف يفتح ذلك مساحة أكبر لاختيار مواد القنوات فائقة الرقة وتصميم هياكل مكدسة متعددة المواد في المستقبل.

تم تمويل البحث من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وتم إجراؤه في إطار مشروع بحث الإلكترونيات الدقيقة التابع لمركز الطباعة الحجرية وابتكار المواد الذي أجراه مختبر برينستون لفيزياء البلازما. تم الانتهاء بشكل رئيسي من عمليات المحاكاة الرقمية واسعة النطاق ذات الصلة في مركز الحوسبة العلمية لأبحاث الطاقة الوطنية (NERSC) ومجموعات الحوسبة عالية الأداء Stellar وDella وTiger في جامعة برينستون.