Двумерные материалы
Открытие графена, удостоенного Нобелевской премии в 2004 году, произвело революцию в современном материаловедении, показав, что электрические, оптические и механические свойства можно настраивать, регулируя толщину, деформацию или порядок укладки таких двумерных материалов. От транзисторов и гибких дисплеев до нейроморфных чипов — будущее электроники во многом будет зависеть от двумерных материалов.
Новое исследование
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nano Letters, под названием «Металлизация под действием давления в двумерном висмуте толщиной в Ångström и омический контакт послойного типа к MoS₂», учёные под руководством SUTD обнаружили, что лёгкого сдавливания достаточно, чтобы висмут — один из самых тяжёлых элементов в периодической таблице — изменил свои электрические свойства.
Используя современную теорию функционала плотности (DFT), команда показала, что когда один слой висмута толщиной в несколько атомов сжимается между окружающими материалами, атомы перестраиваются из слегка гофрированной (или прогнутой) структуры в идеально плоскую. Это незначительное структурное изменение имеет драматические электронные последствия: оно устраняет запрещённую зону энергии и позволяет электронам свободно перемещаться, превращая материал в металл.
«Как только лист висмута становится полностью плоским, электронные состояния перекрываются, и материал внезапно начинает проводить электричество, как металл. Трансформация полностью обусловлена механическим давлением», — сказал доктор Шухуа Ван, научный сотрудник SUTD.
Теоретическое объяснение
Ранее в 2025 году в статье в Nature сообщалось, что, когда висмут сжимали между двумя слоями дисульфида молибдена (MoS₂) до предела толщины в Ångström, он вёл себя как металл, что резко контрастировало с полупроводниковым характером, предсказанным десятилетиями теоретических исследований и предыдущих экспериментов со свободно стоящими монослоями.
Это неожиданное наблюдение поставило открытый вопрос: почему ограниченный висмут проводит электричество, когда его неограниченный аналог этого не делает?
Данное исследование даёт недостающее теоретическое объяснение. Связывая давление, структуру и электронное поведение, команда продемонстрировала, что сжатие ван-дер-ваальсовых сил выравнивает атомную решётку висмута, вызывая точный структурный и электронный переход, необходимый для появления металлических свойств.
Механизм послойного омического контакта
Исследователи предложили трислойную гетероструктуру MoS₂-Bi-MoS₂, где атомарно тонкий висмут действует как металлический мост, зажатый между двумя полупроводниковыми слоями.
Их моделирование выявило поразительную асимметрию: один слой MoS₂ образует контакт с низким сопротивлением (омический контакт) с металлическим Bi, а другой — контакт с более высоким сопротивлением (барьер Шоттки). Применяя внешнее электрическое поле перпендикулярно слою, команда показала, что этот омический контакт можно переключать между верхним и нижним слоями, позволяя управлять электрическим током между слоями по требованию.
Этот механизм, называемый послойным омическим контактом, знаменует собой новую веху в двумерной электронике. Он обобщает знакомый интерфейс металл–полупроводник в зависящий от слоя, управляемый полем контакт — суть лаеронтроники, концепции устройства, которая использует степень свободы слоя в двумерных материалах для обработки и хранения данных.
«Традиционные схемы подключаются один раз и остаются неизменными навсегда», — сказал доцент Йи Син Анг, руководитель проекта и профессор кафедры устойчивого развития в SUTD. «В трислойной гетероструктуре MoS₂-Bi-MoS₂ мы можем реконфигурировать направление тока, просто настраивая электрическое поле. Это означает, что одно и то же устройство может выполнять несколько функций без физического переподключения. Это ключевой шаг на пути к перепрограммируемой, энергоэффективной наноэлектронике».
Такие достижения могут помочь решить одну из самых серьёзных проблем современной электроники: интеграцию ультратонких транзисторов и межсоединений без ущерба для производительности контактов. Возможность точной настройки поведения контактов с помощью механических или электрических полей открывает мощный, устойчивый путь к созданию следующего поколения гибких, маломощных и реконфигурируемых вычислительных чипов.
Предоставлено Сингапурским университетом технологий и дизайна.