La mica moscovite (MuM) è un minerale stratificato comunemente usato come isolante. In un nuovo studio, i ricercatori hanno osservato che, quando ridotto a pochi strati di molecole, il MuM si comporta più come un semiconduttore con una conduttività dipendente dallo spessore. Credito:James St. John
È stato scoperto che la mica, un noto isolante, si comporta come un semiconduttore quando viene assottigliata fino a pochi strati molecolari
La mica moscovite (MuM) è un minerale altamente stabile che viene comunemente usato come isolante. Tuttavia, le proprietà elettriche del MuM a strato singolo e a pochi strati non sono ben comprese. Ora, un gruppo di ricercatori dal Giappone e dall'India riferisce e spiega una conduttività insolitamente elevata nei fiocchi di MuM che sono spessi solo pochi strati di molecole. Le loro scoperte potrebbero aprire le porte allo sviluppo di dispositivi elettronici bidimensionali resistenti agli ambienti difficili.
Nel 2004, i ricercatori dell'Università di Manchester hanno utilizzato del nastro adesivo per estrarre fogli di singoli atomi di carbonio dalla grafite per produrre grafene, un materiale 1000 volte più sottile dei capelli umani ma più resistente dell'acciaio. Questa rivoluzionaria tecnica di esfoliazione ha aperto la strada allo sviluppo di un'ampia gamma di materiali bidimensionali con caratteristiche elettriche e fisiche distinte per la prossima generazione di dispositivi elettronici.
Uno di questi materiali di interesse è stata la mica muscovite (MuM). Questi minerali hanno la formula generale KAl2 (AlSi3 O10 ) (F, OH)2 e hanno una struttura a strati composta da alluminio (Al), potassio (K) e silicio (Si). Come il grafene, il MuM ha attirato l'attenzione come substrato ultrapiatto per la costruzione di dispositivi elettronici flessibili. A differenza del grafene, tuttavia, il MuM è un isolante.
Tuttavia, le proprietà elettriche di MuM non sono del tutto chiare. In particolare, le proprietà dei MuM spessi a strato singolo ea pochi strati molecolari non sono chiaramente comprese. Questo perché in tutti gli studi che hanno finora sondato le proprietà elettriche del MuM, la conduttività è stata dominata da un fenomeno quantistico chiamato "tunneling". Ciò ha reso difficile comprendere la natura conduttiva del MuM sottile.
In un recente studio pubblicato sulla rivista Physical Review Applied , il professor Muralidhar Miryala dello Shibaura Institute of Technology (SIT), Giappone, insieme ai professori M. S. Ramachandra Rao, Ananth Krishnan e il signor Ankit Arora, un Ph.D. studenti, dell'Indian Institute of Technology Madras, India, hanno ora osservato un comportamento semiconduttore in sottili fiocchi di MuM, caratterizzato da una conduttività elettrica che è 1000 volte maggiore di quella del MuM spesso. "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. + Esplora ulteriormente
