Три атоми уся товщина матеріалу, який інженери по всьому світу називають наступною главою електроніки. Але щоб запустити його у виробництво, потрібно було навчитися знімати лише один із цих трьох шарів, не торкаючись решти. Раніше це здавалося технічно неможливим. Тепер хімія пропонує настільки елегантний вихід, що самі дослідники кажуть: плазма більше не б’є, а просто підштовхує.
Кремній десятиліттями був абсолютним королем мікроелектроніки. З моменту винаходу інтегральної схеми в 1958 році він забезпечував закон Мура спостереження про те, що кількість транзисторів на чіпі подвоюється приблизно кожні два роки. Проте останнім часом цей темп сповільнився. Фізичні межі кремнію наближаються швидше, ніж галузь готова визнати: електрони починають текти крізь надто тонкі ізолятори, тепловиділення загрожує стабільності, а мініатюризація стикається з квантовими ефектами.
Коли традиційні рішення вичерпуються, на сцену виходять перехідні метал-дихалькогеніди матеріали, тонші за людську ДНК, але з електричними властивостями, про які кремній може лише мріяти. Вони проводять струм лише в межах кількох атомних шарів, майже не втрачаючи енергію на розсіяння. Це означає швидше перемикання, менше нагрівання та принципово нові архітектури процесорів.
Три атоми товщиною
Серед усіх кандидатів на заміну кремнію особливо виділяється дисульфід молібдену сполука, що складається з одного шару молібдену, затиснутого між двома шарами сірки. Його товщина дорівнює рівно трьом атомам. Такі матеріали належать до групи перехідних метал-дихалькогенідів і обіцяють революцію в мікроелектроніці: транзистори, у яких електрони рухаються майже без опору, пристрої з рекордно низьким енергоспоживанням та можливість будувати логічні схеми буквально з атомних площин.
Проте краса ідеї затьмарюється інженерним кошмаром. Щоб інтегрувати дисульфід молібдену з класичною кремнієвою основою, виробникам потрібно селективно видаляти атоми лише з верхнього шару сірки, залишаючи недоторканим шар молібдену та нижню сірку. Різниця між успіхом і катастрофою вимірюється ліченими електронвольтами енергії. Промах на кілька атомів і весь пристрій перетворюється на брак.
Плазма і підводні камені
Один із найпоширеніших методів обробки поверхні в напівпровідниковій промисловості плазмове травлення. Під контрольованими умовами заряджені частинки плазми бомбардують поверхню матеріалу та вибивають атоми, формуючи наноскопічні структури. Ця технологія десятиліттями бездоганно працювала з кремнієм, але з ультратонкими матеріалами виникає фундаментальна проблема: іони плазми несуть різну енергію, і діапазон між «акуратно зняти верхній шар» та «пробити наскрізь» настільки вузький, що пошкодження нижніх шарів стають неминучими.
На необробленій поверхні дисульфіду молібдену для вибивання атома сірки потрібно приблизно 30 електронвольт. Це значна енергія і водночас небезпечна межа, адже молібден, що лежить глибше, починає руйнуватися майже в тому ж діапазоні. Інженери опинилися в глухому куті: фізичного удару недостатньо для точності, а надлишок енергії перетворює триатомний шедевр на безформну груду з дефектами.
Тут на допомогу прийшла Лабораторія плазмової фізики Принстонського університету, яка протягом 75 років досліджує поведінку плазми того ж стану речовини, що панує в Сонці та зірках. Дослідники зрозуміли, що проблему не вирішити силою, але можна обдурити хімією.
Хімічний хід
За допомогою масштабного комп’ютерного моделювання на суперкомп’ютерах дослідники з Принстонського університету та PPPL встановили: якщо перед плазмовою обробкою покрити дисульфід молібдену киснем або фтором, енергетичний поріг знімання сірки різко падає. Причому механізм виявився настільки витонченим, що його можна порівняти зі зняттям етикетки замість скельпування паперу.
З фтором поріг знижується до приблизно 10 електронвольт, з киснем до 14 електронвольт. Це не просто зменшення числа на папері. Це розширення операційного вікна, яке дає виробникам справжню свободу дій. Іони з нижчою енергією більше не загрожують нижнім шарам, тоді як верхня сірка відходить чисто та контрольовано. Діапазон безпеки зростає втричі.
Коли іон вдаряється по киснем обробленій поверхні, два атоми кисню з’єднуються із сіркою, утворюючи діоксид сірки стабільний газ, який самостійно злітає з поверхні, наче знятий вітром листок. Фтор діє подібно, створюючи леткі сполуки сірки з фтором, які не потребують грубого механічного відриву. Хімія бере на себе важку роботу, дозволяючи плазмі працювати делікатно.
«Ми не руйнуємо зв’язки безпосередньо, пояснив Юрій Поляченко, аспірант хімічного факультету Принстонського університету та провідний автор дослідження. Ми формуємо проміжні продукти, зокрема діоксид сірки. Цей проміжний продукт набагато легше відірвати».
Поляченко працював у лабораторії PPPL протягом літа 2025 року, і саме там зародилася ідея поєднати хімічну функціоналізацію з плазмовими технологіями. Його команда включала також старших науковців Ігоря Кагановича, Шоайба Халіда та випускника лабораторії Юрія Барсукова. Результати опубліковані в авторитетному журналі The Journal of Physical Chemistry Letters 17 червня 2026 року.
Від симуляції до заводу
Зниження порогу з 30 до 10 електронвольт змінює правила гри для всієї напівпровідникової галузі. У промислових масштабах плазма ніколи не буває ідеально однорідною: деякі іони завжди енергетичніші за інші, температури коливаються, тиск змінюється. На необробленій поверхні ця природна варіативність означала неминучі дефекти та брак. Після кисневого або фторового покриття з’являється комфортний буфер простір між «достатньо» і «занадто», в якому може працювати реальне виробництво.
Для споживача це перекладається на конкретні перспективи: процесори, які споживають менше енергії та виділяють менше тепла, зберігаючи при цьому зростання продуктивності. Смартфони, що працюють довше без підзарядки. Дата-центри, які потребують менше охолодження та електрики. Все це залежить від здатності виробників впевнено працювати з матеріалами в масштабах кількох атомів, не втрачаючи при цьому промислової надійності.
- 30 еВ енергія, потрібна для видалення сірки з необробленої поверхні
- 10 еВ поріг після фторування, найнижчий з досягнутих
- 14 еВ поріг після обробки киснем, оптимальний баланс точності та безпеки
- 75 років досвід досліджень плазми в PPPL, що ліг в основу відкриття
- 3 атоми товщина дисульфіду молібдену, матеріалу майбутньої електроніки
Наступний крок
Проте команда не має наміру зупинятися на дисульфіді молібдену. Наступне завдання з’ясувати, скільки прихованих пошкоджень залишає процес, навіть коли верхній шар знято успішно. Це критично важливо для промисловості, де навіть один дефект на мільярд атомів може зіпсувати чіп.
Після цього дослідники планують перевірити, чи спрацює той самий підхід з іншими матеріалами: замість молібдену вольфрам, замість сірки селен. Якщо ідея виявиться універсальною, це відкриє ціле сімейство двовимірних напівпровідників для промислового використання. Кожен із них має унікальні властивості: хтось краще підходить для оптоелектроніки, хтось для квантових обчислень, а хтось для гнучкої електроніки нового покоління, яку можна згортати чи носити на шкірі.
Робота фінансувалася Міністерством енергетики США через програми Fusion Energy Sciences та Basic Energy Sciences, а також у рамках центру Extreme Lithography & Materials Innovation Center. Обчислення проводилися на суперкомп’ютерах Національного науково-дослідного обчислювального центру енергетики в Лоуренс-Берклі та кластерах Stellar, Della і Tiger у Принстоні. Це вклад у фундаментальну науку, який має всі шанси швидко знайти практичне застосування на фабриках завтрашнього дня.
Атомна епоха електроніки наближається не гучними анонсами, а тихими відкриттями в лабораторіях. Один хімічний трюк і плазма, яка колись руйнувала все навколо, тепер знімає шари з точністю хірурга.
Кремній ще не йде на пенсію. Але три атоми товщиною вже чекають своєї черги.
Про автора
