Druk verandert Ångström-dun halfgeleidend bismut in een metaal, waardoor de mogelijkheden voor herconfigureerbare elektronica toenemen

Tweedimensionale (2D) materialen, aangewakkerd door de isolatie van het Nobelprijswinnende grafeen in 2004, hebben een revolutie teweeggebracht in de moderne materiaalwetenschap door aan te tonen dat elektrisch, optisch en mechanisch gedrag eenvoudig kan worden afgestemd door de dikte, spanning of stapelvolgorde van dergelijke 2D-materialen aan te passen. Van transistors en flexibele displays tot neuromorfe chips: de toekomst van de elektronica zal naar verwachting aanzienlijk worden versterkt door 2D-materialen.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Nano-brieven getiteld “Drukgestuurde metalliciteit in Ångström-dikte 2D bismut en laagselectief ohmisch contact met MoS₂”, hebben onderzoekers onder leiding van SUTD ontdekt dat een zachte druk voldoende is om bismut – een van de zwaarste elementen in het periodiek systeem – van elektrische persoonlijkheid te laten veranderen.

Met behulp van geavanceerde simulaties van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) toonde het team aan dat wanneer een enkele laag bismut, slechts een paar atomen dik, wordt samengedrukt of “geperst” tussen omringende materialen, de atomen zich reorganiseren van een licht gegolfde (of geknikte) structuur in een perfect vlakke structuur. Deze structurele afvlakking, hoewel subtiel, heeft dramatische elektronische gevolgen: het elimineert de energiebandafstand en zorgt ervoor dat elektronen vrij kunnen bewegen, waardoor het materiaal metaalachtig wordt.

“Zodra het bismutblad volledig vlak wordt, overlappen de elektronische toestanden elkaar en geleidt het materiaal plotseling elektriciteit als een metaal. De transformatie wordt volledig aangedreven door mechanische druk”, zegt Dr. Shuhua Wang, een postdoctoraal onderzoeker bij SUTD.

Uitleg van een recente experimentele verrassing

Eerder in 2025 een mijlpaal Natuur artikel meldde dat wanneer bismut tussen twee lagen molybdeendisulfide (MoS₂) tot aan de Ångström-diktelimiet gedroeg het zich als een metaal, in schril contrast met het halfgeleidende karakter voorspeld door tientallen jaren van theoretische studies en eerdere experimenten met vrijstaande monolagen.

Die onverwachte observatie riep een open vraag op: waarom geleidt opgesloten bismut elektriciteit als zijn niet-opgesloten tegenhanger dat niet doet?

Dit onderzoek levert de ontbrekende theoretische verklaring. Door druk, structuur en elektronisch gedrag met elkaar te verbinden, heeft het team aangetoond dat het knijpen van Van der Waals het atoomrooster van bismut plat maakt, waardoor de precieze structurele en elektronische overgang wordt teweeggebracht die nodig is voor metalliciteit.

Een nieuwe manier om stroom opnieuw te bedraden

De onderzoekers stelden verder een MoS voor₂-Bi-MoS₂ drielaagse heterostructuur, waarbij het atomair dunne bismut fungeert als een metalen brug ingeklemd tussen twee halfgeleidende lagen.

Hun simulaties brachten een opvallende asymmetrie aan het licht: één MoS₂ laag vormt een contact met lage weerstand (ohms) met het metalen Bi, terwijl de andere een barrière met hogere weerstand (Schottky) vormt. Door een extern elektrisch veld loodrecht op de stapel aan te leggen, liet het team zien dat dit ohmse contact tussen de bovenste en onderste lagen kan worden geschakeld, waardoor op verzoek elektrische stroom tussen de lagen kan worden gestuurd.

Dit mechanisme, een laagselectief ohms contact genoemd, markeert een nieuwe mijlpaal in de 2D-elektronica. Het generaliseert de bekende metaal-halfgeleiderinterface tot een laagafhankelijk, veldcontroleerbaar contact – de essentie van layertronics, een apparaatconcept dat de laagvrijheidsgraad in 2D-materialen exploiteert voor gegevensverwerking en -opslag.

“Traditionele circuits zijn eenmaal bedraad en voor altijd gerepareerd”, zegt assistent-professor Yee Sin Ang, projectleider en Kwan Im Thong Hood Cho Temple Early Career Chair Professor in Sustainability aan SUTD. “In MoS₂-Bi-MoS₂ drielaagse heterostructuur, we kunnen opnieuw configureren waar de stroom vloeit door simpelweg een elektrisch veld af te stemmen. Dat betekent dat hetzelfde apparaat meerdere functies kan uitvoeren zonder fysieke herbedrading. Het is een belangrijke stap in de richting van herprogrammeerbare, energie-efficiënte nano-elektronica.”

Dergelijke vooruitgang kan een van de grootste uitdagingen in de moderne elektronica helpen aanpakken: het integreren van ultradunne transistors en verbindingen zonder dat dit ten koste gaat van de contactprestaties. Het vermogen om contactgedrag via mechanische of elektrische velden te verfijnen, biedt een krachtige, duurzame weg naar de volgende generatie flexibele, energiezuinige en herconfigureerbare computerchips.