Badacze z Singapurskiego Uniwersytetu Technologii i Designu po raz pierwszy przedstawili spójne wyjaśnienie mechanizmu sterującego tą transformacją. Ich praca teoretyczna odpowiada na pytania, które nurtowały środowisko naukowe od początku 2025 r., kiedy eksperymenty ujawniły nieoczekiwane zachowanie bizmutu w strukturach ultracienkich. Szczegóły opisano w Nano Letters.
Co się dzieje z bizmutem?
Symulacje oparte na teorii funkcjonału gęstości ujawniły kluczowy proces zachodzący podczas tej przemiany. Gdy pojedyncza warstwa bizmutu podlega ciśnieniu, jej atomy reorganizują się z charakterystycznej struktury falistej w idealnie płaską powierzchnię. Ta pozornie subtelna modyfikacja pociąga za sobą dramatyczne konsekwencje dla właściwości elektronowych materiału.
W strukturze falistej elektrony napotykają przerwę energetyczną, która nadaje bizmutowi charakter półprzewodnika. Spłaszczenie warstwy eliminuje tę barierę, umożliwiając elektronom swobodny przepływ – materiał nabywa wówczas właściwości typowego metalu. Co szczególnie interesujące, cały proces jest w pełni odwracalny i kontrolowany mechanicznie, co sugeruje możliwość przełączania właściwości materiału na żądanie.
Warto w tym miejscu przypomnieć, że wcześniejsze badania pokazały zaskakujące zachowanie bizmutu ściśniętego między warstwami disiarczku molibdenu. Materiał wykazywał metaliczne właściwości, co stało w sprzeczności z dziesięcioleciami przewidywań teoretycznych dotyczących wolnostojących monowarstw.
Praca singapurskiego zespołu wypełnia tę lukę w wiedzy, łącząc ciśnienie mechaniczne ze strukturalnymi i elektronowymi zmianami w materiale. Naukowcy wykazali, że ściskanie van der Waalsa – specjalna metoda wywierania nacisku w strukturach warstwowych – stanowi klucz do osiągnięcia stabilnej metaliczności w materiałach 2D.
Ta sama metoda umożliwia wytwarzanie różnorodnych ultracienkich metali, obejmujących nie tylko bizmut, ale także gal, ind, cynę i ołów na granicy grubości pojedynczych atomów. Wszystkie te materiały są stabilizowane przez całkowite otoczenie między dwiema monowarstwami MoS2.
Najbardziej intrygującym aspektem odkrycia wydaje się możliwość tworzenia warstwowo selektywnych kontaktów omowych. Badacze zaproponowali heterostrukturę składającą się z trzech warstw: MoS2-Bi-MoS2, gdzie atomowo cienki bizmut działa jako metaliczny mostek między dwiema półprzewodnikowymi warstwami. W tej konfiguracji jedna warstwa MoS2 tworzy kontakt o niskiej rezystancji z metalicznym bizmutem, podczas gdy druga tworzy barierę o wyższej rezystancji. Co więcej, poprzez zastosowanie zewnętrznego pola elektrycznego można przełączać ten kontakt między górną a dolną warstwą, kontrolując przepływ prądu zgodnie z potrzebami.
Odkrycie otwiera drogę do rozwoju reprogramowalnej, energooszczędnej nanoelektroniki. Możliwość precyzyjnego dostrajania zachowania kontaktu za pomocą pól elektrycznych stanowi potencjalnie wartościowe narzędzie do tworzenia następnej generacji elastycznych, niskonapięciowych układów scalonych, choć warto zachować umiarkowany optymizm co do czasu potrzebnego na komercjalizację tych rozwiązań.
Materiały dwuwymiarowe, których era rozpoczęła się wraz z izolacją grafenu w 2004 roku, konsekwentnie poszerzają nasze rozumienie współczesnej nauki o materiałach. Demonstrują one, że właściwości elektryczne, optyczne i mechaniczne można precyzyjnie dostrajać poprzez regulację grubości, naprężenia czy kolejności ułożenia warstw.
Potencjalne zastosowania obejmują szeroki zakres urządzeń – od ultracienkich tranzystorów i elastycznych wyświetlaczy po układy neuromorficzne i urządzenia kwantowe. Możliwość integracji metalicznych połączeń bez utraty wydajności kontaktu może znacząco wpłynąć na miniaturyzację elektroniki, choć praktyczne wdrożenie tych koncepcji wciąż wymaga pokonania licznych wyzwań inżynieryjnych.