Mica, een bekende isolator, blijkt zich als een halfgeleider te gedragen wanneer het wordt verdund tot een paar moleculaire lagen

Moskoviet mica (MuM) is een zeer stabiel mineraal dat vaak wordt gebruikt als isolator. De elektrische eigenschappen van enkellaags en weiniglaags MuM zijn echter niet goed begrepen. Nu rapporteert en verklaart een groep onderzoekers uit Japan en India een ongewoon hoge geleidbaarheid in MuM-vlokken die slechts enkele molecuullagen dik zijn. Hun bevindingen kunnen deuren openen naar de ontwikkeling van tweedimensionale elektronische apparaten die bestand zijn tegen ruwe omgevingen.

In 2004 gebruikten onderzoekers van de Universiteit van Manchester plakband om vellen enkele koolstofatomen weg te trekken van grafiet om grafeen te maken - een materiaal dat 1000 keer dunner is dan mensenhaar maar sterker dan staal. Deze baanbrekende exfoliatietechniek maakte de weg vrij voor de ontwikkeling van een breed scala aan tweedimensionale materialen met verschillende elektrische en fysieke kenmerken voor de volgende generatie elektronische apparaten.

Een dergelijk materiaal van belang is muscoviet mica (MuM). Deze mineralen hebben de algemene formule KAl₂ (AlSi₃ O₁₀ ) (F, OH)₂ en hebben een gelaagde structuur bestaande uit aluminium (Al), kalium (K) en silicium (Si). Net als grafeen heeft MuM aandacht gekregen als een ultraplat substraat voor het bouwen van flexibele elektronische apparaten. In tegenstelling tot grafeen is MuM echter een isolator.

De elektrische eigenschappen van MuM zijn echter niet helemaal duidelijk. In het bijzonder zijn de eigenschappen van enkele en enkele molecuullaag dikke MuM's niet duidelijk begrepen. Dit komt omdat in alle onderzoeken die tot nu toe de elektrische eigenschappen van MuM hebben onderzocht, de geleidbaarheid werd gedomineerd door een kwantumfenomeen dat 'tunneling' wordt genoemd. Dit maakte het moeilijk om de geleidende aard van dunne MuM te begrijpen.

In een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Applied , Professor Muralidhar Miryala from Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, along with Professors M. S. Ramachandra Rao, Ananth Krishnan and Mr. Ankit Arora, a Ph.D. student, from Indian Institute of Technology Madras, India, have now observed a semiconducting behavior in thin MuM flakes, characterized by an electrical conductivity that is 1000 times larger than that of thick MuM. "Mica has been one of the most popular electrical insulators used in industries for decades. However, this semiconductor-like behavior has not been reported earlier," says Prof. Miryala.

In their study, the researchers exfoliated thin MuM flakes of varying thickness onto silicon (SiO₂ /Si) substrates and, to avoid tunneling, maintained a separation of 1 µm between the contact electrodes. On measuring the electrical conductivity, they noticed that the transition to a conducting state occurred gradually as the flakes were thinned down to fewer layers. They found that for MuM flakes below 20 nm, the current depended on the thickness, becoming 1000 times larger for a 10 nm thick MuM (5 layers thick) compared to that in 20 nm MuM.

To make sense of this result, the researchers fitted the experimental conductivity data to a theoretical model called the "hopping conduction model," which suggested that the observed conductance is due to an increase in the conduction band carrier density with the reduction in thickness. Put simply, as the thickness of MuM flakes is reduced, the energy required to move electrons from the solid bulk to the surface decreases, allowing the electrons easier passage into the "conduction band," where they can freely move to conduct electricity. As to why the carrier density increases, the researchers attributed it to the effects of surface doping (impurity addition) contributions from K ⁺ ions and relaxation of the MuM crystal structure.

The significance of this finding is that thin exfoliated sheets of MuM have a band structure similar to that of wide bandgap semiconductors. This, combined with its exceptional chemical stability, makes thin MuM flakes an ideal material for two-dimensional electronic devices that are both flexible and durable. "MuM is known for its exceptional stability in harsh environments such as those characterized by high temperatures, pressures, and electrical stress. The semiconductor-like behavior observed in our study indicates that MuM has the potential to pave the way for the development of robust electronics," says Prof. Miryala. + Explore further

Controlled synthesis of crystal flakes paves path for advanced future electronics