Silikon telah mendukung chip komputer selama beberapa dekade, namun para insinyur semakin bergulat dengan keterbatasan fisik material tersebut. Untuk terus membuat perangkat elektronik lebih kecil dan lebih bertenaga, para peneliti sedang mempelajari cara menggabungkan silikon dengan bahan ultra tipis baru.
Salah satu kelompok bahan yang menjanjikan adalah logam transisi dichalcogenides (TMDs). Di antara kandidat utama adalah molibdenum disulfida, bahan yang tebalnya hanya tiga atom, terdiri dari lapisan molibdenum di antara dua lapisan belerang.
Penghapusan satu lapisan atom
Untuk transistor masa depan yang menggabungkan bahan silikon dan TMD, produsen mungkin perlu secara selektif menghilangkan atom hanya dari lapisan sulfur atas sambil membiarkan lapisan di bawahnya tetap utuh.
Cara umum untuk menghilangkan atom permukaan adalah dengan menggunakan plasma, bentuk energi materi yang ditemukan di Matahari dan bintang lainnya. Penelitian plasma juga telah menjadi prioritas utama di Laboratorium Fisika Plasma Princeton (PPPL) Departemen Energi AS (DOE) selama 75 tahun.
Di bawah kondisi yang dikontrol dengan cermat, partikel yang terkandung dalam plasma dapat mengenai permukaan bahan TMD dan melepaskan atom. Tantangannya adalah mendapatkan energi yang cukup untuk menghilangkan atom belerang dari lapisan atas tanpa merusak lapisan molibdenum di bawahnya. Karena perbedaan antara keberhasilan dan kerugian sangat kecil, maka terbukti sulit untuk mengembangkan proses yang dapat diandalkan.
Dengan menggunakan simulasi komputer, para peneliti menemukan bahwa mengolah molibdenum disulfida dengan oksigen atau fluor sebelum terpapar plasma dapat membuat prosesnya lebih terkontrol. Temuan mereka dipublikasikan di Jurnal Surat Kimia Fisik.
Oksigen dan fluor memperlebar batas keamanan
Simulasi mengungkapkan bahwa perlakuan awal secara signifikan mengurangi energi yang dibutuhkan untuk menghilangkan atom belerang.
Pada permukaan yang tidak diolah, untuk mengeluarkan atom belerang membutuhkan sekitar 30 elektron volt. Ambang batas ini turun menjadi sekitar 10 elektron volt ketika fluor ditambahkan dan menjadi sekitar 14 elektron volt ketika oksigen digunakan.
Perbedaan ini penting karena tidak semua ion plasma membawa jumlah energi yang sama. Beberapa memiliki lebih banyak energi daripada yang lain. Pada permukaan yang tidak diberi perlakuan, batas antara penghilangan atom belerang dan kerusakan pada lapisan molibdenum di bawahnya sangat sempit sehingga beberapa ion cenderung menyebabkan kerusakan yang tidak diinginkan.
Menurunkan ambang batas penghilangan belerang menjadi 10 atau 14 elektron volt menciptakan jendela pengoperasian yang lebih luas. Hasilnya, produsen akan memiliki lebih banyak fleksibilitas untuk menghilangkan lapisan atas belerang secara bersih sambil menjaga sisa materialnya.
Biarkan kimia yang bekerja
Daripada hanya mengandalkan dampak fisik untuk melepaskan atom, para peneliti menemukan cara untuk menggunakan bahan kimia untuk memfasilitasi proses tersebut.
Ketika ion yang masuk mengenai permukaan yang diberi oksigen, dua atom oksigen dapat bergabung dengan atom belerang di sekitarnya untuk membentuk sulfur dioksida, gas stabil yang secara alami dapat meninggalkan permukaan. Fluor berperilaku dengan cara yang sama, menciptakan senyawa sulfur-fluor yang lebih mudah dihilangkan.
“Kami tidak secara langsung memutuskan hubungan tersebut,” kata Yury Polyachenko, mahasiswa pascasarjana kimia di Universitas Princeton yang juga bekerja di PPPL selama musim panas 2025 dan merupakan penulis utama studi tersebut. “Kami membentuk beberapa produk antara, seperti sulfur dioksida. Produk antara ini lebih mudah terurai.”
Perluas pendekatan terhadap materi lain
Para peneliti berencana untuk terus mempelajari teknik ini untuk lebih memahami dampaknya.
“Langkah selanjutnya adalah menentukan seberapa besar kerusakan yang ditimbulkan oleh proses tersebut, bukan hanya apakah proses tersebut menyebabkan kerusakan,” kata Polyachenko. “Setelah itu, kami ingin melihat apakah pendekatan yang sama berhasil untuk material terkait – menggantikan molibdenum dengan tungsten atau sulfur dengan selenium – untuk mengetahui sejauh mana ide ini dapat diterapkan.”
Tim peneliti juga termasuk Igor Kaganovich dan Shoaib Khalid dari PPPL, serta alumni PPPL Yuri Barsukov.
Pekerjaan ini didukung oleh DOE, Office of Science, Fusion Energy Sciences, dan Basic Energy Sciences, melalui Extreme Lithography & Materials Innovation Center, sebuah pusat penelitian ilmiah mikroelektronika, dengan nomor kontrak DEAC02-09CH11466.
Simulasi dilakukan di National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), fasilitas pengguna DOE Office of Science di Lawrence Berkeley National Laboratory, beroperasi dengan nomor kontrak DE-AC02-05CH11231. Sumber daya komputasi tambahan termasuk cluster Stellar, Della, dan Tiger dari Universitas Princeton dan penghargaan NERSC BES-ERCAP36136.
