通过范德华（vdW）挤压法制备二维（2D）金属铋（Bi）为将金属超薄至埃级厚度提供了新途径。然而，自由支撑的二维Bi通常呈现半导体特性，这与实验观测到的vdW挤压二维Bi的金属特性相矛盾。本文发现这一差异源于二维Bi中压力诱导的褶皱-平展结构转变，导致电子结构从半导体转变为半金属。基于实验制备的MoS₂-Bi-MoS₂三层异质结构，展示了层选择性欧姆接触的概念：其中一层二硫化钼形成与二维Bi的欧姆接触，而另一层二硫化钼则呈现肖特基势垒。通过反转外部栅极场，可在夹层的二硫化钼单层之间切换欧姆接触，从而实现电荷在不同二硫化钼层间的空间注入。本文提出的层选择性欧姆接触代表了半金属/半导体接触的层电子学推广，为层电子学器件应用铺平了道路。

图1.期刊封面图

由西西智研制作

图2.二维铋在面内应变下的晶格与电子结构演变。图(a)展示褶皱（半导体）构型，图(b)展示平展（金属）构型，顶部与侧视图标注了层厚度(d)和面外波纹度（Δd）。(c)二维褶皱铋的投影电子能带结构。(d)示意性说明面内拉伸应变作为面外压力的替代指标，对应应变-应力关系。对应的临界应变（达到理想强度的应变）为13%。(e)与(c)相同，但针对二维平展铋。(f)能隙（左轴）与面外波纹度Δd（右轴）随面内应变的演变。当应变ε=7%时发生半导体-半金属相变，当ε>13%时能隙重新打开（半金属-半导体相变）。

通过范德华（vdW）挤压法结合二硫化钼对铋、镓、铟、锡和铅等超薄二维单层金属的实验合成，为制备超薄埃级厚度的二维金属开辟了新途径。铋材料在埃级厚度极限的超尺度化对其在场效应晶体管（FETs）等二维半导体器件应用中具有特别吸引力。作为研究最广泛的二维材料之一，二硫化钼在场效应晶体管、谷电子学、层电子学、自旋电子学等领域具有广泛应用。块体铋形成超低接触电阻，与二硫化钼形成欧姆接触，这源于铋的适当能带排列和半金属特性。由于二维范德华金属与二维半导体接触时，有害的费米能级钉扎（FLP）效应可被显著抑制，二维金属铋因此成为缓解二维半导体场效应晶体管中FLP效应的理想电极材料候选。

图3.二维铋材料中的应变驱动轨道简并与带隙演化。(a)铋-平锌合金在不同面内应变下的投影能带结构。(b)应变诱导晶格对称性从弯曲（非中心对称）到平展（中心对称）的示意图及投影pz电荷密度分布。(c)面内应变对带隙和轨道带宽的影响。随着应变增大，轨道带宽逐渐减小，导致电子局域化增强并引发带隙逐步重新打开。

范德华挤压的二维铋（Bi）与先前研究存在若干矛盾。首先，温度依赖性输运测量显示，这种材料表现出金属特性。但第一性原理计算和先前实验研究表明，二维铋通常呈现带隙约0.30电子伏特的窄带隙铁电半导体特性。其次，以往理论研究多采用弯曲结构模型，而透射电子显微镜（TEM）图像显示，范德华挤压的单层铋具有原子级平整的层状结构。因此，在充分释放其潜力前，理解二维铋金属特性的起源及其结构特性仍是一个关键课题。

图4.Bi/二硫化钼的接触异质结构和电子特性。通过晶格匹配分别构建的Bi/二硫化钼异质结构的几何构型：(a)平面二维Bi晶格和(b)二硫化钼晶格。(c)通过固定Bi晶格构建的MoS2-Bi-MoS2异质结构。（d-f）分别对应（a-c）的能带结构。Bi和二硫化钼的轨道贡献被突出显示。

在此，通过第一性原理密度泛函理论（DFT）计算表明，金属性可能源于范德华挤压制备过程中对二维铋（Bi）施加的面外压力。在高压条件下，发现二维铋经历了一个从弯曲到平坦的结构转变，同时伴随着从半导体到半金属的相变。这种相变证实了在范德华挤压的二维铋中观察到的平坦结构和金属性。

图5.二硫化钼-铋-二硫化钼三层异质结构中层选择性欧姆接触的概念。(a)在零外部垂直电场Efield下的能带排列。顶部和底部二硫化钼层的能带在能量上是简并的。施加Efield会打破顶部和底部二硫化钼层能带的能量简并。（b和c）在正负电场下，顶部和底部二硫化钼能带结构相对于二维铋费米能级的偏移。当施加适当强度的Efield时，一层形成欧姆接触而另一层形成肖特基接触，从而产生层选择性欧姆接触。反转Efield的极性会改变欧姆接触的层位置。(d)基于二硫化钼-铋-二硫化钼三层异质结构的概念性层选择性电荷注入器件的俯视图。反转Efield会空间切换电流注入路径从一层到另一层。

进一步基于实验制备的二硫化钼-铋二硫化钼三层异质结构，研究了金属平坦二维铋与二硫化钼之间的接触特性。提出了层选择性欧姆接触的概念，其中一层二硫化钼与夹层的铋单层呈现欧姆接触，而另一层则呈现肖特基势垒。这种层选择性欧姆接触可以通过改变约0.15 V/A（或15 MV/cm）的面外电场极性，在两个夹层二硫化钼单层之间进行空间切换。所提出的层选择性欧姆接触概念代表了金属/半导体（MS）接触的层电子学推广，使得栅极可调电荷注入能够选择性地注入到不同的二硫化钼层中。研究揭示了vdW压缩二维铋中金属性的物理起源，并展示了其与二硫化钼接触异质结构在层电子学器件应用中的潜力。

图6.不同面外电场下MoS2-Bi-MoS2异质结构的电子能带结构。（a−e）正电场下的能带结构对应0.05至0.2 V/A的电场。（g−k）负电场下的能带结构对应−0.05 V/A至−0.2 V/A的电场。

为说明层选择性欧姆接触的概念，计算了MoS2-Bi-MoS₂在电场作用下的能带结构演变。随着电场从0增加到0.2 V/A，两个二硫化钼层之间的初始简并被解除：上层二硫化钼层的能带逐渐向下移动，而下层二硫化钼层的能带向上移动，导致上下层二硫化钼之间产生能量偏移。当电场达到0.15 V/A时，上层二硫化钼层与铋形成欧姆接触，而下层二硫化钼层仍保持肖特基接触。当电场进一步增加至超过0.15 V/A时，下层二硫化钼层的能带继续向上移动，最终导致铋与上下层二硫化钼之间形成欧姆接触。反转电场极性会导致相反的趋势；也就是说，底部二硫化钼层的电子能带能量向下移动，形成欧姆接触。因此，受电场影响的MoS₂-Bi-MoS₂ SMS异质结构为实现层选择性欧姆接触提供了平台，具有潜在的层电子器件应用价值。

      本研究聚焦单原子层厚度二维铋（2D - Bi）的压力诱导金属化及与二硫化钼（MoS₂）的层选择性欧姆接触。借助先进密度泛函理论（DFT）模拟，发现单原子层铋受周围材料挤压时，原子结构从微褶皱（buckled）态转变为完全平面态 。这种细微结构变化使能隙消失，电子可自由移动，实现从半导体到金属的转变，且转变由机械压力驱动。该研究还为 2025 年《Nature》中 “受限铋呈现金属性（与自由单层铋的半导体特性迥异）” 的实验现象，补充了压力 - 结构 - 电子行为关联的理论解释。此外，基于压力驱动金属化的三层异质结构（含金属态铋与 MoS₂），可构建层选择性欧姆接触，借外部电场按需切换电流在不同 MoS₂层间的流动，为可重构超薄电子器件开发提供新路径，推动二维材料在晶体管、神经形态芯片等领域的应用拓展，深化对低维材料力 - 电耦合调控机制的认知 。

本文内容来自期刊Nano Lett. 2025年发表, 第25卷, 14550−14556页, 以Pressure-Driven Metallicity in Ångstrom-Thickness 2D Bismuth and Layer-Selective Ohmic Contact to MoS₂为题的文章。原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03319

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