Tynd glimmer viser halvledende adfærd, siger videnskabsmænd i ny undersøgelse

Glimmer, en velkendt isolator, har vist sig at opføre sig som en halvleder, når den fortyndes ned til nogle få molekylære lag

Muskovit glimmer (MuM) er et meget stabilt mineral, der almindeligvis bruges som isolator. Imidlertid er de elektriske egenskaber af enkeltlags og fålags MuM ikke godt forstået. Nu rapporterer og forklarer en gruppe forskere fra Japan og Indien usædvanlig høj ledningsevne i MuM-flager, der kun er et par molekylelag tykke. Deres resultater kunne åbne døre til udviklingen af ​​todimensionelle elektroniske enheder, der er robuste over for barske miljøer.

I 2004 brugte forskere fra University of Manchester klæbende tape til at trække plader af enkelte kulstofatomer væk fra grafit for at lave grafen - et materiale, der er 1000 gange tyndere end menneskehår, men alligevel stærkere end stål. Denne banebrydende eksfolieringsteknik banede vejen for udviklingen af ​​en bred vifte af todimensionelle materialer med særskilte elektriske og fysiske egenskaber til den næste generation af elektroniske enheder.

Et sådant materiale af interesse har været muskovitglimmer (MuM). Disse mineraler har den generelle formel KAl₂ (AlSi₃ O₁₀ ) (F, OH)₂ og har en lagdelt struktur bestående af aluminium (Al), kalium (K) og silicium (Si). Ligesom grafen har MuM fået opmærksomhed som et ultra-fladt substrat til at bygge fleksible elektroniske enheder. I modsætning til grafen er MuM imidlertid en isolator.

MuMs elektriske egenskaber er dog ikke helt klare. Især er egenskaberne af enkelt- og få-molekylelags tykke MuM'er ikke klart forstået. Dette skyldes, at i alle de undersøgelser, der hidtil har undersøgt de elektriske egenskaber af MuM, har ledningsevnen været domineret af et kvantefænomen kaldet "tunneling". Dette har gjort det svært at forstå den ledende natur af tyndt MuM.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Applied , professor Muralidhar Miryala fra Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, sammen med professorerne M. S. Ramachandra Rao, Ananth Krishnan og Mr. Ankit Arora, en Ph.D. studerende, fra Indian Institute of Technology Madras, Indien, har nu observeret en halvledende adfærd i tynde MuM-flager, karakteriseret ved en elektrisk ledningsevne, der er 1000 gange større end den for tyk 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. + Udforsk yderligere

Controlled synthesis of crystal flakes paves path for advanced future electronics