Давление превращает атомарно тонкий висмут в металл, открывая путь к перепрограммируемой электронике

Атомарно тонкий висмут в форме монослоя является полупроводником, но может быть преобразован в металл (или полуметалл) под действием внешнего давления. Трехслойная гетероструктура, состоящая из такого металлического висмута и MoS₂, может использоваться для создания послойного омического контакта, в котором электрический ток можно переключать между двумя различными слоями MoS₂ с помощью внешнего электрического поля. Автор: SUTD

Исследователи из Сингапурского университета технологий и дизайна обнаружили, что легкое сжатие достаточно, чтобы заставить висмут — один из самых тяжелых элементов в периодической таблице — изменить свои электрические свойства.

Современные компьютерные модели показали, что когда один слой висмута толщиной в несколько атомов сжимается между окружающими материалами, атомы реорганизуются из слегка гофрированной структуры в идеально плоскую. Это структурное уплощение, хотя и малозаметное, имеет драматические электронные последствия: оно устраняет запрещенную зону и позволяет электронам свободно перемещаться, превращая материал в металл.

«Как только лист висмута становится полностью плоским, электронные состояния перекрываются, и материал внезапно проводит электричество как металл. Преобразование полностью обусловлено механическим давлением», — пояснил доктор Шухуа Ван, научный сотрудник SUTD.

Это исследование дает теоретическое объяснение неожиданному наблюдению, о котором сообщалось ранее в 2025 году в журнале Nature: когда висмут сжимался между двумя слоями дисульфида молибдена (MoS₂) до ангстремных толщин, он вел себя как металл, в отличие от полупроводникового характера, предсказанного предыдущими исследованиями.

Ученые предложили трехслойную гетероструктуру MoS₂-Bi-MoS₂, где атомарно тонкий висмут действует как металлический мост, зажатый между двумя полупроводниковыми слоями. Их симуляции показали поразительную асимметрию: один слой MoS₂ формирует низкоомный (омический) контакт с металлическим Bi, а другой — барьер с более высоким сопротивлением (барьер Шоттки).

Применяя внешнее электрическое поле, перпендикулярное стеку, команда показала, что этот омический контакт можно переключать между верхним и нижним слоями, позволяя направлять электрический ток между слоями по требованию.

«Традиционные схемы один раз соединяются и навсегда фиксируются. В гетероструктуре MoS₂-Bi-MoS₂ мы можем перенастраивать, куда течет ток, просто регулируя электрическое поле. Это означает, что одно и то же устройство может выполнять несколько функций без какого-либо физического переподключения. Это ключевой шаг к перепрограммируемой, энергоэффективной наноэлектронике», — сказал доцент И Син Анг, руководитель проекта.

Этот механизм, названный послойным омическим контактом, знаменует собой новую веху в 2D-электронике и представляет собой суть «слойтроники» — концепции устройств, которая использует степень свободы слоев в 2D-материалах для обработки и хранения данных.

Такие достижения могут помочь решить одну из самых больших проблем современной электроники: интеграцию ультратонких транзисторов и межсоединений без ущерба для производительности контактов.

Дополнительная информация: Shuhua Wang et al, Pressure-Driven Metallicity in Ångström-Thickness 2D Bismuth and Layer-Selective Ohmic Contact to MoS₂, Nano Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c03319