Mechanizm przemiany pod wpływem nacisku
Naukowcy z Singapore University of Technology and Design wyjaśnili zjawisko, które od lat intrygowało specjalistów. Gdy pojedyncza warstwa bizmutu zostaje ściśnięta między otaczającymi materiałami, jej atomy przeorganizowują się z pofałdowanej struktury w idealnie płaską. Ta pozornie subtelna zmiana ma kolosalny wpływ na przewodnictwo elektryczne. Transformacja usuwa przerwę energetyczną, umożliwiając elektronom swobodny przepływ. W ten sposób materiał przechodzi z półprzewodnika w metal. Shuhua Wang z SUTD wyjaśnia:
Gdy warstwa bizmutu staje się całkowicie płaska, stany elektroniczne nakładają się, a materiał nagle przewodzi prąd jak metal. Transformacja jest w pełni napędzana ciśnieniem mechanicznym.
Czytaj też: Miedź i tantal stworzyły coś niemożliwego. Przez pomyłkę odkryli materiał, który łamie zasady fizyki
Odkrycie stanowi teoretyczne potwierdzenie eksperymentalnych obserwacji z początku 2025 roku, które wykazały metaliczne właściwości ściśniętego bizmutu, co stało w sprzeczności z wcześniejszymi przewidywaniami. Kluczowym elementem jest zaproponowana przez badaczy trójwarstwowa struktura MoS2-Bi-MoS2. W tej konfiguracji atomowo cienki bizmut pełni funkcję metalicznego łącznika pomiędzy dwiema warstwami półprzewodnikowego dwusiarczku molibdenu. Konstrukcja wykazuje interesującą asymetrię – jedna warstwa MoS2 tworzy kontakt Ohma o niskiej rezystancji z metalicznym bizmutem, podczas gdy druga tworzy barierę Schottky’ego o wyższej rezystancji. Przełomowe jest to, że możliwe jest przełączanie między tymi kontaktami przy użyciu zewnętrznego pola elektrycznego. Ten mechanizm, nazwany warstwowo-selektywnym kontaktem Ohma, pozwala na precyzyjne sterowanie przepływem prądu.
Tradycyjne obwody są raz okablowane i ustalone na zawsze. W trójwarstwowej heterostrukturze MoS2-Bi-MoS2 możemy rekonfigurować, gdzie płynie prąd, po prostu dostrajając pole elektryczne. Oznacza to, że to samo urządzenie może wykonywać wiele funkcji bez fizycznego przepinania. – tłumaczy Yee Sin Ang z Singapore University of Technology and Design
Możliwości rozwoju “layertroniki”
Odkrycie toruje drogę dla rozwoju “layertroniki”, czyli koncepcji wykorzystującej właściwości warstw w materiałach dwuwymiarowych do przetwarzania i przechowywania danych. Warstwowo-selektywny kontakt Ohma stanowi rozwinięcie tradycyjnego kontaktu metal-półprzewodnik. Badania oparto na zaawansowanych symulacjach teorii funkcjonału gęstości z obliczeniami ab initio i schematem PBE+SOC. Naukowcy uwzględnili efekty sprzężenia spin-orbita, które znacząco wpływają na właściwości elektroniczne bizmutu. Publikacja opisująca odkrycie ukazała się w Nano Letters, dostarczając teoretycznych podstaw dla przyszłych zastosowań praktycznych.
Czytaj też: Fizycy natrafili na punkt krytyczny materii jądrowej. Nowe spojrzenie na silne oddziaływania
Rozwiązanie mogłoby pomóc w pokonaniu jednego z największych wyzwań współczesnej elektroniki – tworzenia wyjątkowo cienkich połączeń metalicznych bez utraty wydajności. Możliwość precyzyjnego dostrajania właściwości kontaktów za pomocą pól mechanicznych lub elektrycznych otwiera drogę do bardziej elastycznej i energooszczędnej elektroniki. W praktyce moglibyśmy zyskać reprogramowalne układy, w których to samo urządzenie pełni różne funkcje, energooszczędne chipy eliminujące konieczność fizycznego przepinania oraz ultracienkie tranzystory integrowane bez poświęcania wydajności. A jakie mogą być problemy? Koszty produkcji i stabilność materiałów w dłuższej perspektywie czasowej oraz integracja z istniejącymi technologiami to tylko niektóre z wyzwań. Mimo to, kierunek badań wydaje się słuszny. W dobie rosnących wymagań dotyczących efektywności energetycznej i miniaturyzacji, każda możliwość tworzenia bardziej elastycznych rozwiązań elektronicznych zasługuje na uwagę.