Dunne mica vertoont halfgeleidend gedrag, zeggen wetenschappers in nieuwe studie

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

Muscoviet 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 zouden deuren kunnen openen voor 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(AlSi₃O₁₀) (V, 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 heeft het moeilijk gemaakt om de geleidende aard van dunne MuM te begrijpen.

In een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling toegepast, Professor Muralidhar Miryala van het Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, samen met de professoren MS Ramachandra Rao, Ananth Krishnan en de heer Ankit Arora, een Ph.D. student, van het Indian Institute of Technology Madras, India, hebben nu een halfgeleidend gedrag waargenomen in dunne MuM-vlokken, gekenmerkt door een elektrische geleidbaarheid die 1000 keer groter is dan die van dik MuM. “Mica is al tientallen jaren een van de meest populaire elektrische isolatoren die in industrieën worden gebruikt. Dit halfgeleiderachtige gedrag is echter niet eerder gemeld”, zegt prof. Miryala.

In hun onderzoek exfolieerden de onderzoekers dunne MuM-vlokken van verschillende dikte op silicium (SiO₂/Si) substraten en, om tunneling te voorkomen, een scheiding van 1 µm tussen de contactelektroden aangehouden. Bij het meten van de elektrische geleidbaarheid merkten ze dat de overgang naar een geleidende toestand geleidelijk plaatsvond naarmate de vlokken werden verdund tot minder lagen. Ze ontdekten dat voor MuM-vlokken onder de 20 nm de stroom afhing van de dikte, en 1000 keer groter werd voor een 10 nm dikke MuM (5 lagen dik) in vergelijking met die in 20 nm MuM.

Om dit resultaat te begrijpen, pasten de onderzoekers de experimentele geleidbaarheidsgegevens aan op een theoretisch model dat het “hopping-geleidingsmodel” wordt genoemd, wat suggereerde dat de waargenomen geleiding het gevolg is van een toename van de dragerdichtheid van de geleidingsband met de vermindering van de dikte. Simpel gezegd, naarmate de dikte van MuM-vlokken wordt verminderd, neemt de energie die nodig is om elektronen van de vaste massa naar het oppervlak te verplaatsen af, waardoor de elektronen gemakkelijker door de “geleidingsband” kunnen gaan, waar ze vrij kunnen bewegen om elektriciteit te geleiden. Over de reden waarom de dragerdichtheid toeneemt, schreven de onderzoekers dit toe aan de effecten van oppervlaktedoping (toevoeging van onzuiverheden) van K⁺ ionen en relaxatie van de MuM-kristalstructuur.

De betekenis van deze bevinding is dat dunne geëxfolieerde vellen van MuM een bandstructuur hebben die vergelijkbaar is met die van halfgeleiders met een brede bandgap. Dit, in combinatie met zijn uitzonderlijke chemische stabiliteit, maakt dunne MuM-vlokken een ideaal materiaal voor tweedimensionale elektronische apparaten die zowel flexibel als duurzaam zijn. “MuM staat bekend om zijn uitzonderlijke stabiliteit in ruwe omgevingen zoals die worden gekenmerkt door hoge temperaturen, drukken en elektrische stress. Het halfgeleiderachtige gedrag dat in ons onderzoek is waargenomen, geeft aan dat MuM het potentieel heeft om de weg vrij te maken voor de ontwikkeling van robuuste elektronica ‘, zegt prof. Miryala.