A pressão transforma o bismuto semicondutor fino de Ångström em um metallic, expandindo as opções para eletrônicos reconfiguráveis

Os materiais bidimensionais (2D), desencadeados pelo isolamento do grafeno ganhador do prêmio Nobel em 2004, revolucionaram a moderna ciência dos materiais ao mostrar que os comportamentos elétricos, ópticos e mecânicos podem ser ajustados simplesmente ajustando a espessura, a deformação ou a ordem de empilhamento de tais materiais 2D. De transistores e telas flexíveis a chips neuromórficos, espera-se que o futuro da eletrônica seja significativamente fortalecido por materiais 2D.

Em um novo estudo publicado em Nano-letras intitulado “Metalicidade acionada por pressão em bismuto 2D de espessura de Ångström e contato ôhmico seletivo de camada para MoS₂,” pesquisadores liderados pelo SUTD descobriram que um aperto suave é suficiente para fazer o bismuto – um dos elementos mais pesados ​​da tabela periódica – mudar sua personalidade elétrica.

Usando simulações de última geração da teoria do funcional da densidade (DFT), a equipe mostrou que quando uma única camada de bismuto, com apenas alguns átomos de espessura, é comprimida ou “espremida” entre os materiais circundantes, os átomos se reorganizam de uma estrutura ligeiramente ondulada (ou curvada) para uma estrutura perfeitamente plana. Este achatamento estrutural, embora sutil, tem consequências eletrônicas dramáticas: elimina o hole de energia e permite que os elétrons se movam livremente, tornando o materials metálico.

“Uma vez que a folha de bismuto se torna completamente plana, os estados eletrônicos se sobrepõem e o materials de repente conduz eletricidade como um metallic. A transformação é totalmente impulsionada pela pressão mecânica, “disse o Dr. Shuhua Wang, pesquisador de pós-doutorado no SUTD.

Explicando uma surpresa experimental recente

No início de 2025, um marco Natureza artigo relatou que quando o bismuto foi espremido entre duas camadas de dissulfeto de molibdênio (MoS₂) até o limite de espessura de Ångström, comportou-se como um metallic, em nítido contraste com o caráter semicondutor previsto por décadas de estudos teóricos e experimentos anteriores em monocamadas independentes.

Essa observação inesperada colocou uma questão em aberto: porque é que o bismuto confinado conduz eletricidade quando o seu homólogo não confinado não o faz?

Esta pesquisa fornece a explicação teórica que falta. Ao vincular pressão, estrutura e comportamento eletrônico, a equipe demonstrou que a compressão de van der Waals achata a rede atômica do bismuto, desencadeando assim a transição estrutural e eletrônica precisa necessária para a metalicidade.

Uma nova maneira de religar a corrente

Os pesquisadores propuseram ainda um MoS₂-Bi-MoS₂ heteroestrutura tricamada, onde o atomicamente fino bismuto atua como uma ponte metálica imprensada entre duas camadas semicondutoras.

Suas simulações revelaram uma assimetria impressionante: um MoS₂ camada forma um contato de baixa resistência (Ohmico) com o Bi metálico, enquanto a outra forma uma barreira de maior resistência (Schottky). Ao aplicar um campo elétrico externo perpendicular à pilha, a equipe mostrou que esse contato ôhmico pode ser alternado entre as camadas superior e inferior, permitindo assim corrente elétrica para ser direcionado entre camadas sob demanda.

Este mecanismo, denominado contato ôhmico seletivo de camada, marca um novo marco na eletrônica 2D. Ele generaliza a well-known interface metal-semicondutor em um contato dependente de camada e controlável em campo – a essência da layertronics, um conceito de dispositivo que explora o grau de liberdade da camada em materiais 2D para processamento e armazenamento de dados.

“Os circuitos tradicionais são conectados uma vez e fixados para sempre”, disse o professor assistente Yee Sin Ang, líder do projeto e professor de sustentabilidade no SUTD Kwan Im Thong Hood Cho Temple. “Em MoS₂-Bi-MoS₂ heteroestrutura tricamada, podemos reconfigurar onde a corrente flui simplesmente ajustando um campo elétrico. Isso significa que o mesmo dispositivo pode executar múltiplas funções sem qualquer religação física. É um passo elementary em direção à nanoeletrônica reprogramável e com eficiência energética”.

Esses avanços podem ajudar a enfrentar um dos maiores desafios da eletrônica moderna: integrar transistores e interconexões ultrafinos sem sacrificar o desempenho do contato. A capacidade de ajustar o comportamento do contato por meio de campos mecânicos ou elétricos fornece um caminho poderoso e sustentável para a próxima geração de chips de computação flexíveis, de baixo consumo de energia e reconfiguráveis.