简易涂层技术，无损制造新一代晶体管

计算机芯片内部包含数十亿颗由硅制成的微型晶体管，但硅材料的性能已经逼近物理极限。为制造尺寸更小、性能更强的元器件，研究人员正探索在硅之外搭配其他材料制备晶体管，其中一类超薄二维材料——过渡金属硫族化合物（TMD）成为重点研究对象。二硫化钼是最具潜力的TMD材料之一，它仅由三层原子构成：一层钼原子夹在两层硫原子中间。

若要结合硅与过渡金属硫族化合物制备晶体管，厂商需要仅剥离表层硫原子，同时不能破坏下层原子。目前剥离表层的主流工艺是等离子体刻蚀。等离子体是构成恒星的物质形态，美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）已针对该介质开展长达75年的研究。

在合适工艺条件下将过渡金属硫族化合物置于等离子体环境中，等离子体粒子会轰击材料表面，剥离表层原子。但工艺窗口极窄：轰击能量既要足以剥离表层硫原子，又不能过高以致损伤下层钼原子。这种严苛的容错区间，让工艺难以优化，很难实现完整剥离表层且下层零损伤。

研究团队通过计算机模拟发现，采用氧或氟预先处理二硫化钼表层，可大幅降低下层原子受损伤的概率。该研究成果已发表于《物理化学快报》。

研究团队测算得出：未做预处理的材料表面，剥离硫原子所需能量约30电子伏特；表层氟化处理后，剥离能量降至约10电子伏特；氧化预处理后则降至约14电子伏特。更低的剥离阈值至关重要，因为等离子体内部离子的能量并非完全统一，始终存在能量分布区间。

未经处理的材料表面，剥离硫原子与损伤钼层的能量区间十分接近，部分高能离子必然会进入损伤区间。而将硫原子剥离阈值降至10至14电子伏特后，安全工艺窗口被拓宽，厂商可选用合适能量区间，完整剥离表层硫原子，同时保证下层材料完好无损。

借助化学反应替代纯物理轰击

低温等离子体工艺是精准调控过渡金属硫族化合物（TMD）极具前景的技术。在硫族元素置换工艺中，核心难题是找到合适的离子能量窗口，实现硫族原子选择性刻蚀去除，同时完整保留金属原子晶格结构。该研究并未单纯依靠物理轰击力，而是引入化学辅助机制：当离子撞击氧化处理后的表层时，两个氧原子会与附近硫原子结合生成稳定气态二氧化硫分子，自行从材料表面脱离。氟的作用机理与之类似，会生成硫氟化合物。

“我们并非直接打断原子化学键，”论文第一作者、普林斯顿大学化学专业研究生Yury Polyachenko说道。2025年夏季，他同时在PPPL参与研究工作。“我们会先生成二氧化硫这类中间产物，这类中间体更容易从材料表面脱附分离。”

研究同时发现，实际实验对应的低温环境会显著改变硫原子溅射能阈值。该温度依赖关系既得到从头算分子动力学模拟验证，也可通过无经验参数机理理论进行预测，说明溅射能阈值与温度的关联规律可推广至其他过渡金属硫族化合物、各类表面官能化体系及不同离子表面轰击工况。

Polyachenko表示：“下一阶段我们将定量测算该工艺造成的损伤程度，而非仅判断有无损伤。在此之后，我们会验证这套方案是否适用于同类材料体系——例如将钼替换为钨、将硫替换为硒，以此验证该方法的通用适配范围。”