Fysieke oppervlaktedetails van mica bestudeerd op atomaire schaal

Op het eerste gezicht is mica iets heel gewoons: het is een veel voorkomend mineraal, bijvoorbeeld gevonden in graniet, en is uitgebreid bestudeerd vanuit geologisch, chemisch en technisch perspectief.

Je zou kunnen denken dat er uit zo’n alledaags materiaal niets nieuws te ontdekken valt. Maar nu heeft een team van de Technische Universiteit van Wenen een studie in het tijdschrift gepresenteerd Natuurcommunicatie, wat de verdeling van kaliumionen op het mica-oppervlak verklaart. De fysieke oppervlaktedetails van mica zijn nog nooit op atomaire schaal bestudeerd en deze informatie is belangrijk voor onderzoek naar elektronica met 2D-materialen.

Atomair dunne lagen

Atomair dungelaagde 2D-materialen zijn momenteel een van de meest onderzochte onderwerpen in de materiaalkunde. Bepaalde materialen, zoals grafeen en molybdeendisulfide, bestaan ​​uit slechts één of enkele lagen atomen, wat vaak tot bijzondere eigenschappen leidt.

In zekere zin is mica een natuurlijk voorkomend 2D-materiaal: het bestaat uit atomair dunne lagen die verschillende atomen kunnen bevatten, afhankelijk van het type mica: zuurstof is altijd aanwezig, vaak silicium, vaak ook kalium of aluminium. De laagstructuur van de mica is ook de reden voor de karakteristieke glans: je ziet vaak een spectrum aan kleuren, vergelijkbaar met een dun laagje olie op een plas water.

Kaliumionen in ultrahoog vacuüm

De buitenste laag mica is moeilijk te onderzoeken omdat deze snel wordt verontreinigd door atomen en moleculen uit de lucht. De onderzoekers brachten het oppervlak van mica in een ultrahoog vacuüm in beeld, met behulp van een nieuw type atoomkrachtmicroscoop aan de Technische Universiteit van Wenen.

“We hebben kunnen zien hoe de kaliumionen over het oppervlak zijn verdeeld”, zegt Giada Franceschi, de eerste auteur van het huidige artikel, die in het team van prof. Ulrike Diebold werkt. “We waren ook in staat om inzicht te krijgen in de posities van de aluminiumionen onder de oppervlaktelaag – dit is experimenteel een bijzonder moeilijke taak.”

De afbeeldingen laten zien dat de kaliumionen niet willekeurig over het oppervlak zijn verdeeld, zoals eerder werd aangenomen, maar in kleine patronen zijn gerangschikt. Deze verdelingen zouden ook kunnen worden berekend met behulp van computersimulaties.

Bijpassende isolator voor 2D elektronica

Dit werk kan onder meer belangrijk zijn voor pogingen om 2D-materialen zoals grafeen te gebruiken voor elektronische schakelingen. Hiervoor zijn geschikte isolatoren nodig en mica is een zeer voor de hand liggende kandidaat.

“De oppervlakte-eigenschappen van mica zullen een cruciale rol spelen in dergelijke elektronische componenten”, zegt Giada Franceschi.